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CSP-J 2020 第一轮 第 26 题:程序(二):n=3^30,k=3时的输出

阅读程序 · 数及其运算与进制转换 · 难度 很难 · 答案 B

题目

#include <iostream>
using namespace std;

long long n, ans;
int k, len;
long long d[1000000];

int main() {
  cin >> n >> k;
  d[0] = 0;
  len= 1;
  ans = 0;
  for (long long i = 0; i <n; ++i) {
    ++d[0];
    for (int j = 0; j + 1<len; ++j) {
      if (d[j] == k) {
        d[j] = 0;
        d[j + 1] += 1;
        ++ans;
      }
    }
    if (d[len- 1] == k) {
      d[len - 1] = 0;
      d[len] =1;
      ++len;
      ++ans;
    }
  }
  cout << ans << endl;
  return 0;
}

  假设输入的 $n$ 是不超过 $2^{62}$ 的正整数,$k$ 都是不超过 $10000$ 的正整数,完成下面的判断题和单选题:
CSP-J 2020 第一轮 第 26 题 原题
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本小题

若输入的 $n$ 等于 $205,891,132,094,649$(即 $3^{30}$),输入的 $k$ 为 $3$,则输出等于( )。

选项

  • A. $3^{30}$
  • B. $(3^{30}-1)/2$
  • C. $3^{30}-1$
  • D. $(3^{30}+1)/2$

答案

B

题解

答案是 B:\(\dfrac{3^{30}-1}{2}\)。

这段程序实际上是在用数组 d 模拟 三进制加法:

  • d[0] 是个位,d[1] 是三位,d[2] 是九位,以此类推。
  • 每次外层循环执行 ++d[0],相当于把这个三进制数加 \(1\)。
  • 某一位达到 \(3\),就清零并向高一位进位,同时 ++ans。

所以,ans 统计的是从 \(0\) 加到 \(n\) 的过程中,所有数位发生进位的总次数。一次加法可能产生多次进位,例如三进制的 \(22+1=100\),就有两次进位。

当 \(n=3^{30}\) 时:

进位位置发生频率进位次数
第 \(0\) 位向第 \(1\) 位每加 \(3\) 次\(3^{29}\)
第 \(1\) 位向第 \(2\) 位每加 \(3^2\) 次\(3^{28}\)
\(\cdots\)\(\cdots\)\(\cdots\)
第 \(29\) 位向第 \(30\) 位每加 \(3^{30}\) 次\(1\)

因此,利用等比数列求和: \[ \text{ans}=3^{29}+3^{28}+\cdots+3+1 =\frac{3^{30}-1}{3-1} =\boxed{\frac{3^{30}-1}{2}}. \]

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