How to calculate floor sum?
Разница между en23 и en24, 173 символ(ов) изменены
The floor sum is an algorithm that solves for the value of a function approximating $f(a,b,c,n)=\sum\limits_{i=0}^n\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor$ in $O(\log n)$ time complexity.↵

Maybe you haven't heard of it, but you can get the algorithm by simple mathematical derivation.↵

### To calculate the sum of the functions, $n \le 10^{9}$.↵

$$f(a,b,c,n)=\sum_{i=0}^n\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor$$↵

$$g(a,b,c,n)=\sum_{i=0}^n\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor^2$$↵

$$h(a,b,c,n)=\sum_{i=0}^ni\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor$$↵

(I) when $a < c$ and $b < c$.↵

First simplify $f(a,b,c,n)$.↵

$$\begin{aligned}↵
f(a,b,c,n)&=\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor}\bigg[j\le\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor}\bigg[j\le\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg[j+1\le\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg[cj+c\le{ai+b}\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg[cj+c-b\le{ai}\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg[cj+c-b - 1<{ai}\bigg]\\&=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg[\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor<i\bigg]\\&=\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor<i\bigg]\\&=\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\sum_{i=\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\rfloor+1}^n1\\&=\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg(n-\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor\bigg)\\&=n\bigg\lfloor\frac{an+b}{c}\bigg\rfloor-\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor\\&=n\bigg\lfloor\frac{an+b}{c}\bigg\rfloor-f(c,c+b-1,a,\bigg\lfloor\frac{an+b}{c}\bigg\rfloor-1)\end{aligned}$$↵

Let $m = \left\lfloor\frac{an+b}{c}\right\rfloor$, then we get:↵

$$f(a,b,c,n) = nm-f(c,c-b-1,a,m-1)$$↵

For the above derivation, we call it **Lemma 1**:↵

> Lemma 1:↵
> $\sum\limits_{i=0}^n\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor=\sum\limits_{j=0}^{\left\lfloor\frac{an+b}{c}\right\rfloor-1}\sum\limits_{i=\left\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\right\rfloor+1}^n1$↵

Next consider the simplification of $h(a,b,c,n)$, which follows from **Lemma 1**:↵

$$\begin{aligned}↵
h(a,b,c,n)&=\sum_{i=0}^ni\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\\↵
&=\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\sum_{i=\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\rfloor+1}^ni↵
\end{aligned}$$↵

Let $t = \left\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\right\rfloor, m = \left\lfloor\frac{an+b}{c}\right\rfloor$, then:↵

$$\begin{aligned}↵
h(a,b,c,n)&=↵
\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}\sum_{i=\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\rfloor+1}^ni\\↵
&=\sum_{j=0}^{m-1}\sum_{i=t+1}^ni\\↵
&=\sum_{j=0}^{m-1}\frac{(t+n+1)(n-t)}{2}↵
\end{aligned}$$↵

> **Lemma 2**:↵
> Let $t = \left\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\right\rfloor, m = \left\lfloor\frac{an+b}{c}\right\rfloor$, then:↵
> $$\sum\limits_{i=0}^ni\left\lfloor\frac{ai+b}{c}\right\rfloor = \sum\limits_{j=0}^{m-1}\frac{(t+n+1)(n-t)}{2}$$↵

Since $j$ in the expression for $t$ is related to summation, we present $t$ separately.↵

$$\begin{aligned}↵
\frac{(t+n)(n-t+1)}{2}&=\frac{1}{2}(n^2-t^2-t+n)\\↵
&=\frac{1}{2}((n^2+n)-(t^2+t))↵
\end{aligned}$$↵

The original equation can then be simplified.↵

$$\begin{aligned}↵
\sum_{j=0}^{m-1}\frac{(t+n+1)(n-t)}{2}&=\sum_{j=0}^{m-1}\frac{1}{2}\bigg((n^2+n)-(t^2+t)\bigg)\\↵
&=\frac{1}{2}\sum_{j=0}^{m-1}\bigg(n^2+n\bigg)- \frac{1}{2}\sum_{j=0}^{m-1}\bigg(t^2+t\bigg)\\↵
&=\frac{mn^2+mn}{2}-\frac{1}{2}\sum_{j=0}^{m-1}t^2-\frac{1}{2}\sum_{j=0}^{m-1}t\\↵
&=\frac{1}{2}\bigg(mn^2+mn-\sum_{j=0}^{m-1}\bigg\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\bigg\rfloor^2-\sum_{j=0}^{m-1}\bigg\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
&=\frac{1}{2}\bigg(mn(n+1)-g(c,c-b-1,a,m-1)-f(c,c-b-1,a,m-1)\bigg)↵
\end{aligned}$$↵

Then consider the simplification of $g(a,b,c,n)$, where we know summation formula $\sum\limits_{i=1}^n i = \frac{n^2+n}{2}$, which can be inverted to get $2\sum\limits_{i=1}^n i - n = n^2$, whereupon our $g(a,b,c,n)$ can be turned into:↵

$$\begin{aligned}↵
g(a,b,c,n)&=\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor^2\\↵
&=\sum_{i=0}^n\bigg(2\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor}j-\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
&=\sum_{i=0}^n\bigg(2\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor}j - f(a,b,c,n)\bigg)↵
\end{aligned}$$↵

According to **Lemma 2** it follows that for $t = \left\lfloor\frac{cj+c-b-1}{a}\right\rfloor, m = \left\lfloor\frac{an+b}{c}\right\rfloor$ and there are:↵

$$\begin{aligned}↵
g(a,b,c,n)&=\sum_{i=0}^n\bigg(2\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor}j - f(a,b,c,n)\bigg)\\↵
&=2\sum_{i=0}^n\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor}j-\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\\↵
&=2\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{ai+b}{c}\rfloor-1}(j+1)-f(a,b,c,n)\\↵
&=2\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\lfloor\frac{an+b}{c}\rfloor-1}(j+1)\bigg[j\le\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor-1\bigg]-f(a,b,c,n)\\↵
&=2\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{m-1}(j+1)\bigg[j\le\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor-1\bigg]-f(a,b,c,n)↵
\end{aligned}$$↵

From **Lemma 1**:↵

$$\begin{aligned}↵
g(a,b,c,n)&=2\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{m-1}(j+1)\bigg[\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor<i\bigg]-f(a,b,c,n)\\↵
&=2\sum_{j=0}^{m-1}(j+1)\bigg(n-\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor\bigg)-f(a,b,c,n)\\↵
&=2\sum_{j=0}^{m-1}(j+1)n-2\sum_{j=0}^{m-1}(j+1)\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor-f(a,b,c,n)\\↵
&=(m+1)mn-2\sum_{j=0}^{m-1}j\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor-2\sum_{j=0}^{m-1}\bigg\lfloor\frac{cj+c-b - 1}{a}\bigg\rfloor-f(a,b,c,n)\\↵
&=(m+1)mn-2\bigg(h(c,c-b-1,a,m-1)-f(c,c-b-1,a,m-1)\bigg)-f(a,b,c,n)\\↵
\end{aligned}$$↵

From this, when $a \le c$ and $b \le c$, we have:↵

$$\begin{aligned}↵
&f(a,b,c,n) = nm-f(c,c-b-1,a,m-1)\\↵
&g(a,b,c,n) = (m+1)mn-2\bigg(h(c,c-b-1,a,m-1)-f(c,c-b-1,a,m-1)\bigg)-f(a,b,c,n)\\↵
&h(a,b,c,n) = \frac{1}{2}\bigg(mn(m+1)-g(c,c-b-1,a,m-1)-f(c,c-b-1,a,m-1)\bigg)↵
\end{aligned}$$↵

(II) When $a \ge c$ or $b \ge c$, we fully expand the equation so that $a‘=a \bmod c$ and $b’=b \bmod c$.↵

$$\begin{aligned}↵
f(a,b,c,n) &= \sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\\↵
&=\sum_{i=0}^n\bigg(\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor+i\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
&=f(a',b',c,n)+\frac{n(n+1)}{2}\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+(n+1)\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\\↵
g(a,b,c,n) &= \sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor^2\\↵
&=\sum_{i=0}^n\bigg(\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor+i\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg)^2\\↵
&=\sum_{i=0}^n\bigg(\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor^2+i^2\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor^2+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor^2+2i\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor+2i\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor+2\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
&=g(a',b',c,n)+\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor^2+(n+1)\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor^2 \\↵
& ~ ~ ~ ~ ~+2\bigg(h(a',b',c,n)+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor f(a',b',c,n)+\frac{n(n+1)}{2}\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
h(a,b,c,n)&=\sum_{i=0}^ni\bigg\lfloor\frac{ai+b}{c}\bigg\rfloor\\↵
&=\sum_{i=0}^ni\bigg(\bigg\lfloor\frac{a'i+b'}{c}\bigg\rfloor+i\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg)\\↵
&=\sum_{i=0}^n h(a',b',c,n)+\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+\frac{n(n+1)}{2}\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor↵
\end{aligned}$$↵

Write the code according to the formula, in order to prevent the data that has already been counted from being double counted, we use struct to store the three functions to calculate synchronously.↵

```cpp↵
#include<bits/stdc++.h>↵
using namespace std;↵
typedef long long ll;↵
const ll mod = 998244353, inv2 = 499122177, inv6 = 166374059;↵
int T;↵
ll a, b, c, n;↵
struct Node↵
{↵
    ll f, g, h;↵
};↵

Node solve(ll a, ll b, ll c, ll n)↵
{↵
    Node ans, tmp;↵
    if (!a) return (Node){(b / c) * (n + 1) % mod, (b / c) * (b / c) % mod * (n + 1) % mod, (b / c) * n % mod * (n + 1) % mod * inv2 % mod};↵
    if (a < c && b < c)↵
    {↵
        ll m = (a * n + b) / c;↵
        if (!m) return (Node){0, 0, 0};↵
        tmp = solve(c, c - b - 1, a, m - 1);↵
        m %= mod;↵
        ans.f = (m * n % mod - tmp.f + mod) % mod;↵
        ans.g = ((m * (m + 1) % mod * n % mod - 2 * tmp.h - 2 * tmp.f - ans.f) % mod + mod) % mod;↵
        ans.h = ((m * n % mod * (n + 1) % mod - tmp.f - tmp.g) % mod + mod) % mod * inv2 % mod;↵
        return ans;↵
    }↵
    tmp = solve(a % c, b % c, c, n);↵
    ans.f = (tmp.f + n * (n + 1) % mod * inv2 % mod * (a / c) % mod + (n + 1) * (b / c) % mod) % mod;↵
    ans.g = (tmp.g + (a / c) * (a / c) % mod * n % mod * (n + 1) % mod * (2 * n + 1) % mod * inv6 % mod + (n + 1) * (b / c) % mod * (b / c) % mod + 2 * (a / c) % mod * tmp.h % mod + 2 * (b / c) * tmp.f % mod + 2 * (a / c) * (b / c) % mod * n % mod * (n + 1) % mod * inv2 % mod) % mod;↵
    ans.h = (tmp.h + (a / c) * n % mod * (n + 1) % mod * (2 * n + 1) % mod * inv6 % mod + (b / c) * n % mod * (n + 1) % mod * inv2 % mod) % mod;↵
    return ans;↵
}↵

void solve()↵
{↵
    scanf("%lld%lld%lld%lld", &n, &a, &b, &c);↵
    Node ans = solve(a, b, c, n);↵
    printf("%lld %lld %lld\n", ans.f, ans.g, ans.h);↵
}↵

int main()↵
{↵
    scanf("%d", &T);↵
    while (T -- ) solve();↵
    return 0;↵
}↵
```↵

Then you may want to try some problems. Here are a list of ques I met before, hope you can solve them:)↵

[G &mdash; Ax + By < C(Atcoder)](https://atcoder.jp/contests/abc372/tasks/abc372_g)↵

[
Sum(UOJ)](https://uoj.ac/problem/42G &mdash; Redistribution of Piles](https://atcoder.jp/contests/abc313/tasks/abc313_g)↵

[EX &mdash; Popcount Sum(Atcoder)](https://atcoder.jp/contests/abc283/tasks/abc283_h)↵

[
COCI2009-2010#1] ALADINSum(UOJ)](https://uoj.ac/problem/42)↵

[COCI2009-2010#1] ALADIN↵

**Update1**: Add some problems in the list.

История

 
 
 
 
Правки
 
 
  Rev. Язык Кто Когда Δ Комментарий
en29 Английский YipChip 2025-03-26 06:18:26 2
en28 Английский YipChip 2025-03-25 05:33:43 0 (published)
en27 Английский YipChip 2025-03-25 05:30:35 359 (saved to drafts)
en26 Английский YipChip 2025-03-25 05:06:19 2
en25 Английский YipChip 2025-03-25 05:03:42 454
en24 Английский YipChip 2025-03-24 18:01:07 173
en23 Английский YipChip 2025-03-24 15:32:43 0 (published)
en22 Английский YipChip 2025-03-24 15:31:41 16 (saved to drafts)
en21 Английский YipChip 2025-03-24 15:29:12 0 (published)
en20 Английский YipChip 2025-03-24 15:28:45 6
en19 Английский YipChip 2025-03-24 15:27:44 16
en18 Английский YipChip 2025-03-24 15:26:36 35
en17 Английский YipChip 2025-03-24 15:25:26 54
en16 Английский YipChip 2025-03-24 15:24:05 23
en15 Английский YipChip 2025-03-24 15:22:29 36
en14 Английский YipChip 2025-03-24 15:19:57 37
en13 Английский YipChip 2025-03-24 15:18:25 47
en12 Английский YipChip 2025-03-24 15:17:27 39
en11 Английский YipChip 2025-03-24 15:16:59 342
en10 Английский YipChip 2025-03-24 15:12:53 7099
en9 Английский YipChip 2025-03-24 15:04:47 615
en8 Английский YipChip 2025-03-24 15:02:43 55
en7 Английский YipChip 2025-03-24 15:01:42 2
en6 Английский YipChip 2025-03-24 15:01:29 2
en5 Английский YipChip 2025-03-24 15:00:39 30
en4 Английский YipChip 2025-03-24 14:59:33 38
en3 Английский YipChip 2025-03-24 14:57:38 2
en2 Английский YipChip 2025-03-24 14:57:17 1967
en1 Английский YipChip 2025-03-24 14:52:32 203 Initial revision (saved to drafts)