一种 $O(\log n)$ 计算形如 $f(n)=\sum_{i=1}^n \lfloor \frac {ai+b}c \rfloor$ 的函数的算法。
不妨考虑待计算函数就是 $f(n)=\sum_{i=1}^n \lfloor \frac {ai+b}c\rfloor$,同时假设 $b\lt c$,考虑按如下过程计算 $f(n)$。
考虑在 $(0,n]$ 范围内逐渐增加 $x$,当 $y=\frac {ax+b}c$ 恰好等于某个整数时 $y\gets y+1$,称为 $U$ 操作。
当 $x$ 恰好等于某个整数时有 $\text{ans}\gets \text{ans}+y$,称为 $R$ 操作。如果遇到整点,先进行 $U$ 操作再进行 $R$ 操作。
于是计算 $f(n)$ 等价于处理由 $y=\frac {ax+b}c(x\in (0,n])$ 产生的操作序列 $S$。
先考虑如何得到这个操作序列,设 $g(a,b,c,n,U,R)$ 表示由 $y=\frac {ax+b}c(x\in (0,n])$ 产生的操作序列 $S$。
定义字符串幂操作 $S^k=S^{k-1}S$。
如果 $a\ge c$,显然 $R$ 操作前面至少有 $\lfloor \frac ac\rfloor$ 个 $U$ 操作。将这 $\lfloor \frac ac\rfloor$ 个 $U$ 操作和一个 $R$ 操作视为一个整体,于是有
$$ g(a,b,c,n,U,R)=g(a\bmod c,b,c,n,U,U^{\lfloor \frac ac\rfloor}R) $$
如果 $b\ge c$,显然有
$$ g(a,b,c,n,U,R)=U^{\lfloor \frac bc\rfloor}g(a,b\bmod c,c,n,U,R) $$
最后,如果 $c\gt \max (a,b)$,则考虑构造 $y=\frac {ax+b}c$ 按 $y=x$ 做对称变换得到的直线 $y=\frac {cx-b}a$。
不难发现,$y=\frac {cx-b}a$ 产生的序列和 $y=\frac{ax+b}c$ 产生的序列大致是互补的,即 $U/R$ 互补。
但要处理遇到整点的情况,此时两条直线都是先 $U$ 再 $R$ 不满足互补关系,考虑将 $y=\frac {cx-b}a$ 整体向下偏移得到 $y=\frac {cx-b-1}a$。
这样原先在 $y=\frac {cx-b}a$ 先 $U$ 再 $R$ 的整点等价于 $y=\frac {cx-b-1}a$ 先 $R$ 在 $U$。于是整点也满足了互补性质。
但偏移也导致 $y=\frac {cx-b-1}a$ 的边界发生了变化,考虑暴力处理边界,设 $m=\frac {an+b}c$,于是有
$$ g(a,b,c,n,U,R)=R^{\lfloor \cfrac{c-b-1}{a}\rfloor}Ug(c,(c-b-1)\bmod a,a,m-1,R,U)R^{n-\lfloor \cfrac{cm-b-1}{a}\rfloor} $$
边界条件为 $m=0$,此时说明只有 $R$ 操作,于是 $g(a,b,c,n,U,R)=R^n$。
假如不考虑字符串拼接等操作的复杂度,上述式子可以 $O(\log n)$ 计算。
接下来考虑如何通过得到的字符串即操作序列来计算答案。事实上可以在拼接字符串时维护答案。
设 $h(S)$ 表示字符串 $S$ 对应的答案,两个串分别为 $S1,S2$,$dx=\text{cntR}(S1),dy=\text{cntU}(S1),n=\text{cntR}(S2)$。
$$ h(S1S2)=h(S1)+\sum_{i=1}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy)=h(S1)+\sum_{i=1}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)+n\times dy=h(S1)+h(S2)+n\times dy $$
至于 $S^k$ 可以利用快速幂计算。整体操作复杂度为 $T(a,c)=T(c\bmod a,a)+O(\log \frac ca)$。
$T(a,c)$ 产生的 $O(\log c)-O(\log a)$ 可以和随后 $T(c\bmod a,a)$ 产生的 $O(\log a)-O(\log (c\bmod a))$ 部分抵消。
最终 $T(a,c)=O(\log c)-O(\log\gcd (a,c))\sim O(\log c)$。
求
$$ f(n)=\sum_{i=0}^n \lfloor \frac {ai+b}c\rfloor\\ g(n)=\sum_{i=0}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)^2\\ h(n)=\sum_{i=0}^n i\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor $$
设 $F,G,H$ 分别表示序列 $S$ 对应 $f,g,h$ 的答案,于是有
$$ \begin{equation}\begin{split} F(S1S2)&=F(S1)+\sum_{i=1}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy)=F(S1)+F(S2)+n\times dy\\ G(S1S2)&=G(S1)+\sum_{i=1}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy)^2 \\ &=G(S1)+\sum_{i=1}^n (\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)^2+ 2dy\sum_{i=1}^n \lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy+\sum_{i=1}^n (dy)^2\\ &=G(S1)+G(S2)+2dyF(S2)+n\times (dy)^2\\ H(S1S2)&=H(S1)+\sum_{i=1}^n (i+dx)(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy) \\ &=H(S1)+\sum_{i=1}^n \left(i(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)+i\times dy+dx(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)+dxdy\right)\\ &=H(S1)+H(S2)+\frac {n(n+1)}2dy+dxF(S1)+n\times dxdy \end{split}\end{equation} $$ 最后这题的 $i$ 是从 $0$ 开始的,万能欧几里得算法的 $i$ 是从 $1$ 开始的,注意补上 $i=0$ 的贡献。
求
$$ f(n)=\sum_{i=0}^n i^{k_1}(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)^{k_2} $$
设 $F(S,k_1,k_2)$ 表示 $f(n)=\sum_{i=1}^n i^{k_1}(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor)^{k_2}$ 关于 $S$ 操作序列的答案。
\begin{equation}\begin{split} F(S1S2,k_1,k_2)&=F(S1,k_1,k_2)+\sum_{i=1}^n (i^{k_1}+dx)^{k_1}(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy)^{k_2}\\ &=F(S1,k_1,k_2)+\sum_{i=1}^n\sum_{t_1=0}^{k_1}\sum_{t_2=0}^{k_2}{k_1\choose t_1}{k_2\choose t_2}dx^{k_1-t_1}dy^{k_2-t_2}i^{t_1}(\lfloor \frac {ai+b}c\rfloor+dy)^{t_2}\\ &=F(S1,k_1,k_2)+\sum_{t_1=0}^{k_1}\sum_{t_2=0}^{k_2}{k_1\choose t_1}{k_2\choose t_2}dx^{k_1-t_1}dy^{k_2-t_2}F(S2,t_1,t_2) \end{split}\end{equation}
对每个 $S$,维护矩阵 $F(S,i,j)(0\le i\le k_1,0\le j\le k_2)$,于是可以实现 $O\left(k_1^2k_2^2\right)$ 信息合并。
边界 $F(L,i,j)=0,F(R,i,j)=[j==0](0\le i\le k_1,0\le j\le k_2)$,另外注意对答案补上 $i=0$ 的贡献。时间复杂度 $O\left(k_1^2k_2^2\log c\right)$。
求
$$ \sum_{i=1}^n A^iB^{\lfloor \cfrac {ai+b}c\rfloor} $$
其中,$A,B$ 为 $k\times k$ 的矩阵。
$$ \begin{equation}\begin{split} F(S1S2)&=F(S1)+\sum_{i=1}^n A^{i+dx}B^{\lfloor \cfrac {ai+b}c\rfloor+dy}\\ &=F(S1)+A^{dx}\left(\sum_{i=1}^n B^{\lfloor \cfrac {ai+b}c\rfloor}\right)B^{dy} &=F(S1)+A^{dx}F(S2)B^{dy} \end{split}\end{equation} $$
于是可以令 $F(S)$ 维护 $(A^{cntR},B^{cntU},\text{ans})$,设 $E$ 表示单位矩阵,$Z$ 表示全 $0$ 矩阵。
边界条件 $F(U)=(E,B,Z),F(R)=(A,E,A),F()=(E,E,Z)$。时间复杂度 $O\left(k^3\log c\right)$。