c++怎么实现快速幂算法_c++高效数学运算【干货】

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快速幂通过二进制拆分将时间复杂度从O(n)降至O(log n),核心是底数平方、指数右移、按位累乘;需注意取模时机、边界处理(如n=0)、溢出防护及负指数/浮点数的特殊处理。

c++怎么实现快速幂算法_c++高效数学运算【干货】

快速幂的核心思想是二进制拆分

直接算 a^n 是 O(n) 时间,而快速幂利用 n 的二进制表示,把乘法次数降到 O(log n)。比如 3^13 = 3^8 × 3^4 × 3^1,因为 13 的二进制是 1101,只对每一位为 1 的位置累乘对应幂次。

关键不是“快”,而是避免中间结果溢出和重复计算 —— 每次迭代都把底数平方、指数右移,同时按位判断是否要乘入结果。

递归写法简洁但要注意深和取模时机

递归版本容易理解,但 c++ 默认空间有限,n 超过 1e6 可能爆栈;另外,如果题目要求取模(如 1e9+7),必须在每次乘法后立刻 % MOD,否则 long long 也可能溢出。

  • if (n == 0) return 1 % MOD; —— 别漏掉 0 次方的边界
  • long long half = quick_pow(a, n >> 1); —— 用右移代替除法更安全
  • return n & 1 ? (half * half % MOD) * a % MOD : half * half % MOD; —— 先平方再乘 a,顺序不能反

迭代写法更推荐用于生产或大指数场景

迭代版空间 O(1),无递归开销,也更容易插入调试逻辑或中断条件。核心是维护当前幂值 base 和结果 res,逐位处理 n 的二进制位。

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  • 初始化:long long res = 1, base = a % MOD; —— 底数先取模防初始溢出
  • 循环条件:while (n > 0),别用 n != 0(负数会出问题,但指数通常非负)
  • 判断最低位:if (n & 1) res = res * base % MOD;
  • 更新:base = base * base % MOD;n >>= 1;

注意:所有乘法都要套 % MOD,哪怕你用了 long long —— 1e9+7 平方就超 9e18,而 long long 最大约 9.2e18

处理负指数或浮点底数需额外封装

标准快速幂针对非负整数指数设计。若遇到负指数(如 a^(-n)),得先求 a 在模意义下的逆元(仅当 MOD质数a 不被整除时可用费马小定理),再对 |n| 快速幂;浮点数则不能直接取模,需去掉 % MOD 部分,但要注意精度丢失和 overflow 风险。

真正容易被忽略的是:很多题中 a 本身可能为 0 或 1,或 n 为 0 —— 这些边界在迭代/递归里都得自然覆盖,别靠特判补救。

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