P3768 简单的数学题
题意描述
求 \(\displaystyle(\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n} ij \gcd(i,j) )\mod p\)
数据范围： \(n\leq 10^{10}, p 为质数\)。
solution
推了好久才推出来的一道题。
先枚举一下 \(\gcd(i,j)\) 可得：
\(\displaystyle\sum_{d=1}^{n} d\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n} ij[\gcd(i,j) == d]\)
后面柿子可以提出来一个 \(d\) 变为：
\(\displaystyle \sum_{d=1}^{n}d^3 \sum_{i=1}^{{n\over d}}\sum_{j=1}^{n\over d} ij[\gcd(i,j) == 1]\)
莫比乌斯反演一下可以变为：
\(\displaystyle\sum_{ d=1}^{n} d^3 \sum_{i=1}^{n\over d}\sum_{j=1}^{n\over d}\sum_{p\mid \gcd(i,j)} \mu(p) ij\)
\(\displaystyle\sum_{d=1}^{n} d^3\sum_{p=1}^{n\over d} \mu(p)\sum_{i=1}^{n\over d}\sum_{j=1}^{n\over d} ij[p\mid i,p\mid j]\)
我们观察一下后面的 \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n\over d}\sum_{j=1}^{n\over d} ij[p\mid i,p\mid j]\) 这个柿子，你会发现：
\(i\) 的取值可能为： \(\ p,\ 2p,\ 3p,\ 4p....{n\over dp}\)
\(j\) 的取值可能为：\(\ p,2p, \ 3p, \ 4p...{n\over dp}\)
设 \(S(n) = 1+2+3+4....+n\), 那么 \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n\over d}\sum_{j=1}^{n\over d} ij[p\mid i,p\mid j] = p^2 S({n\over dp})^2\)。
带入原式可得：
\(\displaystyle\sum_{d=1}^{n} d^3 \sum_{p=1}^{n\over d} \mu(p)p^2 S({n\over dp})^2\)
\(dp\) 化 \(Q\) 可得：
\(\displaystyle\sum_{Q=1}^{n} S({n\over Q})^2 \sum_{d\mid Q} d^3 ({Q\over d})^2 \mu({Q\over d})\)
\(= \displaystyle \sum_{Q=1}^{n} S({n\over Q})^2 \sum_{d\mid Q} Q^2 d \mu({Q\over d})\)
\(= \displaystyle\sum_{Q=1}^{n}S({n\over Q})^2 Q^2 \sum_{d\mid Q} d \mu({Q\over d})\)
然后你会发现 \(\displaystyle \sum_{d\mid Q} d\mu({Q\over d})\) 他是个卷积的形式，由 \(\phi = \mu * id\) 可得： \(\displaystyle \sum_{d\mid Q} d\mu({Q\over d}) = \phi(Q)\), 代入原式可得：
\(\displaystyle\sum_{Q=1}^{n} S({n\over Q}) ^2 Q^2 \phi(Q)\)
前面那个可以拿整除分块来解决，设 \(f(i) = i^2 \phi(i)\) ,现在关键是怎么求出来 \(f(i)\) 的前缀和。
推到这里自己就不会了，看了看题解总算懂了。
\(n \leq 10^{10}\), 所以线性筛又萎了，在这个数据范围下，能做的好像只剩下杜教筛了。
套一下积性函数的柿子 ： \(\displaystyle h(n) = \sum_{d\mid n} f(d) g({n\over d})\)
因为 \(f(i)\) 里面有 \(i^2\) ，所以考虑构造 \(g({n\over i})\) 把这一项消掉，那么就 设 \(g(i) = i^2\) 。
根据小学知识可得：\(\displaystyle \sum_{i=1}^{n} g(i) = {n(n+1)(2n+1)\over 2}\), \(g(i)\) 的前缀和就可以 \(O(1)\) 的算出来了。
把 \(g(i)\) 代入原式可得：
\(\displaystyle\ h(n) = \sum_{d\mid n} d^2 \phi(d) ({n\over d})^2\)
\(\displaystyle h(n) = n^2 \sum_{d\mid n} \phi(d)\)
又因为 \(\displaystyle \sum_{d\mid n}\phi(d) = n\), 代入可得： \(h(n) = n^3\)
根据小学知识可得： $\displaystyle\sum_{i=1}^n h(i) = ({n\times (n+1)\over 2})^2 $, 这可也可以 \(O(1)\) 的来求。
然后使用杜教筛就可以在非线性的时间内把 \(f(i)\) 的前缀和算出来了。
最后的答案用数论分块计算一下即可，然后这道题就做完了QWQ。
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<map>
using namespace std;
#define int long long
using namespace std;
const int N = 1e7+10;
int p,n,tot,inv2,inv6,ans;
int prime[N],phi[N],f[N];
bool check[N];
map<int,int> vis;
inline int read()
{
int s = 0,w = 1; char ch = getchar();
while(ch < '0' || ch > '9'){if(ch == '-') w = -1; ch = getchar();}
while(ch >= '0' && ch <= '9'){s = s * 10 + ch - '0'; ch = getchar();}
return s * w;
}
int ksm(int a,int b)
{
int res = 1;
for(; b; b >>= 1)
{
if(b & 1) res = res * a % p;
a = a * a % p;
}
return res;
}
void YYCH()
{
phi[1] = 1;
for(int i = 2; i <= N-5; i++)
{
if(!check[i])
{
prime[++tot] = i;
phi[i] = i-1;
}
for(int j = 1; j <= tot && i * prime[j] <= N-5; j++)
{
check[i * prime[j]] = 1;
if(i % prime[j] == 0)
{
phi[i * prime[j]] = phi[i] * prime[j] % p;
break;
}
else phi[i * prime[j]] = phi[i] * phi[prime[j]] % p;
}
}
for(int i = 1; i <= N-5; i++) f[i] = i * i % p * phi[i] % p;
for(int i = 1; i <= N-5; i++) f[i] = (f[i] + f[i-1]) % p;
}
int sqr(int x)
{
x %= p;
return x * (x+1) % p * (2 * x % p + 1) % p * inv6 % p;
}
int Sum(int n)
{
if(n == 0) return 0;
n %= p;//这里 n*n 直接算的话会炸long long 所以要预先模一下
int tmp = n * (n + 1) % p * inv2 % p;
return tmp * tmp % p;
}
int get(int n)
{
if(n <= N-5) return f[n];
if(vis[n]) return vis[n];
int res = Sum(n);
for(int l = 2, r; l <= n; l = r+1)
{
r = min(n,n/(n/l));
res -= get(n/l) * ((sqr(r)-sqr(l-1) % p + p) % p) % p;
res = (res + p) % p;
}
vis[n] = (res % p + p) % p;
return vis[n];
}
signed main()
{
p = read(); n = read(); YYCH(); inv2 = ksm(2,p-2); inv6 = ksm(6,p-2);
for(int l = 1, r; l <= n; l = r+1)
{
r = min(n,n/(n/l));
ans = (ans + Sum(n/l) * ((get(r)-get(l-1) + p) % p) % p) % p;
}
printf("%lld\n",ans);
return 0;
}
