けんちょんの競プロ精進記録

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AtCoder ABC 356 D - Masked Popcount (1Q, 緑色, 400 点)

すごく教育的問題!

問題概要

非負整数  N, M が与えられるので、次の値を 998244353 で割った余りを求めよ。

 \displaystyle \sum_{k=0}^{N} \mathrm{popcount}(k &  M)

制約

  •  0 \le N, M \le 2^{60}

考えたこと

この手の問題は「主客転倒」して、上記の総和を各桁ごとに考えればよいと相場が決まっている!!! 具体的には、次のように考える。


すべてを二進法で考える。右から  d = 0, 1, \dots, 60 桁目について

 k &  M の右から  d 桁目が 1 であるような  k ( 0 \le k \le M) の個数」

を求めればよい。


この値を  d ごとに求めて、 2^{0}, 2^{1}, \dots, 2^{60} をかけて足せばよい。

各桁ごとの値

上記の値は、さらに  M d 桁目が 1 であるもののみを考えればよく、そのような  d に対して、

 0, 1, \dots, N のうち、右から  d 桁目が 1 であるものの個数」

を求める問題に他ならない。これは頑張れば求められる (公式解説参照)。

計算量は  O( ( \log N) ( \log M)) などになる。

コード

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

// modint
template<int MOD> struct Fp {
    // inner value
    long long val;
    
    // constructor
    constexpr Fp() : val(0) { }
    constexpr Fp(long long v) : val(v % MOD) {
        if (val < 0) val += MOD;
    }
    constexpr long long get() const { return val; }
    constexpr int get_mod() const { return MOD; }
    
    // arithmetic operators
    constexpr Fp operator + () const { return Fp(*this); }
    constexpr Fp operator - () const { return Fp(0) - Fp(*this); }
    constexpr Fp operator + (const Fp &r) const { return Fp(*this) += r; }
    constexpr Fp operator - (const Fp &r) const { return Fp(*this) -= r; }
    constexpr Fp operator * (const Fp &r) const { return Fp(*this) *= r; }
    constexpr Fp operator / (const Fp &r) const { return Fp(*this) /= r; }
    constexpr Fp& operator += (const Fp &r) {
        val += r.val;
        if (val >= MOD) val -= MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator -= (const Fp &r) {
        val -= r.val;
        if (val < 0) val += MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator *= (const Fp &r) {
        val = val * r.val % MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator /= (const Fp &r) {
        long long a = r.val, b = MOD, u = 1, v = 0;
        while (b) {
            long long t = a / b;
            a -= t * b, swap(a, b);
            u -= t * v, swap(u, v);
        }
        val = val * u % MOD;
        if (val < 0) val += MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp pow(long long n) const {
        Fp res(1), mul(*this);
        while (n > 0) {
            if (n & 1) res *= mul;
            mul *= mul;
            n >>= 1;
        }
        return res;
    }
    constexpr Fp inv() const {
        Fp res(1), div(*this);
        return res / div;
    }

    // other operators
    constexpr bool operator == (const Fp &r) const {
        return this->val == r.val;
    }
    constexpr bool operator != (const Fp &r) const {
        return this->val != r.val;
    }
    constexpr Fp& operator ++ () {
        ++val;
        if (val >= MOD) val -= MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator -- () {
        if (val == 0) val += MOD;
        --val;
        return *this;
    }
    constexpr Fp operator ++ (int) const {
        Fp res = *this;
        ++*this;
        return res;
    }
    constexpr Fp operator -- (int) const {
        Fp res = *this;
        --*this;
        return res;
    }
    friend constexpr istream& operator >> (istream &is, Fp<MOD> &x) {
        is >> x.val;
        x.val %= MOD;
        if (x.val < 0) x.val += MOD;
        return is;
    }
    friend constexpr ostream& operator << (ostream &os, const Fp<MOD> &x) {
        return os << x.val;
    }
    friend constexpr Fp<MOD> pow(const Fp<MOD> &r, long long n) {
        return r.pow(n);
    }
    friend constexpr Fp<MOD> inv(const Fp<MOD> &r) {
        return r.inv();
    }
};

// Binomial coefficient
template<class mint> struct BiCoef {
    vector<mint> fact_, inv_, finv_;
    constexpr BiCoef() {}
    constexpr BiCoef(int n) : fact_(n, 1), inv_(n, 1), finv_(n, 1) {
        init(n);
    }
    constexpr void init(int n) {
        fact_.assign(n, 1), inv_.assign(n, 1), finv_.assign(n, 1);
        int MOD = fact_[0].get_mod();
        for(int i = 2; i < n; i++){
            fact_[i] = fact_[i-1] * i;
            inv_[i] = -inv_[MOD%i] * (MOD/i);
            finv_[i] = finv_[i-1] * inv_[i];
        }
    }
    constexpr mint com(int n, int k) const {
        if (n < k || n < 0 || k < 0) return 0;
        return fact_[n] * finv_[k] * finv_[n-k];
    }
    constexpr mint fact(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return fact_[n];
    }
    constexpr mint inv(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return inv_[n];
    }
    constexpr mint finv(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return finv_[n];
    }
};

const int MOD = 998244353;
using mint = Fp<MOD>;

int main() {
    long long N, M;
    cin >> N >> M;

    mint res = 0;
    for (int d = 0; d <= 60; ++d) {
        if (!(M & (1LL<<d))) continue;
        
        // 1 以上 N 以下の整数のうち、d 桁目が 1 であるものの個数
        long long upper = N >> (d + 1);
        long long lower = 1LL << d;
        
        mint tmp = mint(upper) * lower;
        
        if (N & (1LL << d)) {
            long long val = 0;
            for (int i = 0; i < d; ++i) {
                if (N & (1LL << i)) val |= (1LL << i);
            }
            tmp += val + 1;
        }
        res += tmp;
    }
    
    cout << res << endl;
}