狄利克雷卷积和莫比乌斯反演初探
0. 前置知识
1. 狄利克雷卷积
定义
定义域为
对于两个数论函数
性质
狄利克雷卷积具有以下性质:
交换律 :
非常好感性理解,因为狄利克雷卷积是对称的。
证明:令
故
从这个证明可以得出,对于一般的卷积
结合律:
证明:
此时
同交换律一样,若
分配律:
证明:
故
等式的性质:
证明:
考虑反证法。若
设
则:
与
证毕。
注:由于逆元存在,该结论是显然的。
单位元:即单位函数
逆元:对于任意数论函数
显然,若逆元存在,必唯一。
考虑构造一个
特别地,当
为了简便,下将
2. 积性函数
定义
若数论函数
若数论函数
常见的积性函数有:
- 单位函数
(完全积性) - 常函数
(完全积性),为方便起见,用 替代。 - 恒等函数
(完全积性)( ) - 除数函数
,其中 为 的约数个数,又记作 , 为 的约数和,简记为 。( ) - 莫比乌斯函数
,其中 为 中不同质因子的个数。( ) - 欧拉函数
为 中与 互质的数的个数。( 或 )
notes:
是 的卷积逆,这在下面也会提到。- 设
,其中 ,则 , , ,都可以用积性在得出质数幂的结果后推出。
性质
- 若
为积性函数,则下列函数为积性函数:
证明:设
证明:设
证明:设
- 若
为积性函数,则下列函数为积性函数:(重要)
证明:设
满足
证明:
设
首先,
使用数学归纳法。
-
,此时 -
,此时 ,若此时 且 ,
证毕。
由上述结论可知,积性函数卷积性函数仍是积性函数,积性函数卷非积性函数是非积性函数。
3. 莫比乌斯反演
莫比乌斯函数公式推导
莫比乌斯函数
显然,
由逆元公式有
当
当
(i)
(ii)
由于
令
故
这个
莫比乌斯反演公式
形式一:(最本质的式子)
由于
形式二:
设
证明:这个很显然。
和式证明:
形式三:
设
这里的和式可以有上限,即只考虑
证明:
4.基础应用
莫比乌斯反演的题目常与整除分块同时出现。
例一
求
对于多组询问,可以预处理
例二
求
考虑到
则
例三
求
可以发现,这个式子与例一的区别在于将
例四
其实可以直接用 但我们假装不能
答案为
用整除分块优化,单次复杂度
总复杂度
视为均匀分布,复杂度
例五
就是例四的多组询问版本。
考虑继续推式子。
令后面的东西为
然后
整除分块即可。
复杂度
例六
令
令
由于
整除分块可做到
例七
求
所求即为
用
答案即为
考虑到若
改写为
5.一些有用结论
证明:显然。
证明:即
有人叫这个式子欧拉反演。
应用太广泛,不列了。
证明:
note: 注意到该式可以反向运用,用
算 ,优于整除分块的
证明:考虑构造双射
对于
时,令 中 次数为 。 时,令 中 次数为 ,并让 中 次数为 。
证明:考虑当
而对于
见于 P4240 毒瘤之神的考验
6.结语
本文鸽了有接近半年,终于写完了。(你看发布时间很晚实际上是因为我把它修改了,企图掩盖是鸽子的事实)
删掉标题的“施工中”三个字时,有些怅然。时间过得太快了,水平尚未见增长,一个学期就过去了。开学时立下的雄心壮志,早已被时间消磨干净了吧……
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