莫比乌斯相关

莫比乌斯相关

莫比乌斯函数

定义

μ(n)={1n=10n(1)kkn

性质

Dirichlet 卷积相关

d|nμ(d)=[n=1]φ(n)=d|nμ(d)×nd

平方相关

μ2(n)=d2|nμ(d)i=1nμ2(i)=i=1nd2|iμ(d)=d=1nμ(d)nd2

证明:考虑若 μ(i)2=1,则右侧只有一项 j=1(因为 i 无平方因子)否则说明其至少有一个质因子 p 出现了两次以上。

考虑将所有 j2i 分成两类:pj 的因子/不是 j 的因子(由于 μ(j) 不能为 0,因此 p 至多出现一次)。则两类 j 之间建立起一一对应关系,且对于每一对,它们的 μ 互为相反数。因此这个 i 的贡献确实为 0

求法

单个数

线性筛

杜教筛

莫比乌斯反演

f(n),g(n) 为两个数论函数,由 μ1=ϵ ,得到:

f=fϵ=f(μ1)=(f1)μ

形式一

f(n),g(n) 为两个数论函数,则:

f(n)=d|ng(d)g(n)=d|nf(d)μ(nd)

此时 f(n) 称为 g(n) 的莫比乌斯变换,g(n) 称为 f(n) 的莫比乌斯逆变换,即莫比乌斯反演。

形式二

f(n),g(n) 为两个数论函数,则:

f(n)=n|dg(d)g(n)=n|df(d)μ(dn)

常见应用

形式一

(1)i=1nj=1m[gcd(i,j)=1](2)=i=1nj=1md|id|jμ(d)(3)=d=1nμ(d)i=1nj=1m[d|i][d|j](4)=d=1nμ(d)ndmd

数论分块即可做到 O(n)O(n)

形式二

(5)i=1nj=1mf(gcd(i,j))(6)=d=1nf(d)i=1nj=1m[gcd(i,j)=d](7)=d=1nf(d)i=1ndj=1md[gcd(i,j)=1](8)=d=1nf(d)k=1ndμ(k)ndkmdk

dk=T ,则:

=T=1nnTmTd|Tf(d)μ(Td)

数论分块即可做到 O(n)O(n)

扩展

对于数论函数 f,g 与完全积性函数 t 且满足 t(1)=1 ,则:

f(n)=i=1nt(i)g(ni)g(n)=i=1nμ(i)t(i)f(ni)

证明:

(9)g(n)=i=1nμ(i)t(i)f(ni)(10)=i=1nμ(i)t(i)j=1nit(j)g(nij)(11)=T=1ni=1nμ(i)t(i)j=1ni[ij=T]t(j)g(nT)(12)=T=1ni|Tμ(i)t(i)t(Ti)g(nT)(13)=T=1ng(nT)t(T)i|Tμ(i)(14)=g(n)t(1)

魔力筛

这是一个可以在 O(nloglogn) 的时间复杂度求出任意数论函数与 μ 的狄利克雷卷积的算法。当然,必须保证这个数论函数能被提前计算出来。

gi,n=dnf(d)μ(nd),其中 d 只含前 i 种质因子。则有:

gi,n={gi1,npingi1,ngi1,npipin

需要滚动数组优化。

解释:第一种情况显然正确。对于第二种,由于每多一个质因子,μ 的取值就会乘以 1 ,因此上式的意义是强制不选 pi ,然后乘以 1 累加在答案上。如果含有平方因子,则值为 0 ,不影响答案。

复杂度和埃氏筛一样,为 O(nloglogn)

应用

P2257 YY的GCD PGCD - Primes in GCD Table

求:

i=1nj=1m[gcd(i,j)prime]

n,m107

i=1nj=1m[gcd(i,j)prime]=k=1n[kprime]i=1nj=1m[gcd(i,j)=k]=k=1n[kprime]i=1nkj=1mk[gcd(i,j)=1]=k=1n[kprime]d=1nkndkmdkμ(d)

T=dk ,则:

=k=1n[kprime]d=1nknTmTμ(d)=T=1nnTmTk|T,kprimeμ(Tk)

n=m 的弱化版是这题:P2568 GCD

P3327 [SDOI2015] 约数个数和

d(n) 表示 n 的约数个数,求:

i=1nj=1md(ij)

T,n,m5×104

(15)i=1nj=1md(ij)(16)=i=1nj=1mx|iy|j[gcd(x,y)=1](17)=x=1ny=1mnxmyd|x,d|yμ(d)(18)=d=1nμ(d)i=1ndj=1mdnidmjd(19)=d=1nμ(d)i=1ndnidj=1mdmjd

P5221 Product

求:

i=1nj=1nlcm(i,j)gcd(i,j)(mod104857601)

n106

(20)i=1nj=1nlcm(i,j)gcd(i,j)(21)=i=1nj=1nijgcd(i,j)2(22)=i=1nij=1nji=1nj=1ngcd(i,j)2(23)=(n!)2n(i=1nj=1ngcd(i,j))2

单独考虑下面的部分得到 :

d=1ndi=1nj=1n[gcd(i,j)=d]

单独考虑指数部分得到:

(24)i=1ndj=1nd[gcd(i,j)=1](25)=(i=1nd(2×j=1i[gcd(i,j)=1]))1(26)=2×(i=1ndφ(i))1

P6055 [RC-02] GCD

求:

i=1nj=1np=1njq=1nj[gcd(i,j)=1][gcd(p,q)=1](mod998244353)

n2×109

(27)i=1nj=1np=1njq=1nj[gcd(i,j)=1][gcd(p,q)=1](28)=i=1nj=1n[gcd(i,j)=1]p=1nq=1n[gcd(p,q)=j](29)=i=1np=1nq=1n[gcd(i,p,q)=1](30)=d=1nμ(d)nd3

杜教筛处理 μ 的前缀和即可。

P4449 于神之怒加强版

求:

i=1nj=1mgcd(i,j)k(mod109+7)

n,m,k5×106

(31)i=1nj=1mgcd(i,j)k(32)=d=1ndki=1ndj=1md[gcd(i,j)=1](33)=d=1ndkk=1ndμ(k)ndkmdk(34)=T=1nnTmTd|Tdkμ(Td)

线性筛 g(T)=d|Tdkμ(Td) 即可。

P3768 简单的数学题

求:

i=1nj=1nijgcd(i,j)(modp)

n1010

(35)i=1nj=1nijgcd(i,j)(36)=d=1ni=1ndj=1ndd×id×jd×[gcd(i,j)=1](37)=d=1nd3i=1ndj=1ndijk|i,k|jμ(k)(38)=d=1nd3k=1ndμ(k)i=1ndkj=1ndkijk2(39)=d=1nd3k=1ndμ(k)k2S(ndk)2

其中 S(n)=n(n+1)2 ,令 T=dk 则:

(40)=T=1nT2S(nT)2d|Tdμ(Td)(41)=T=1nS(nT)2T2φ(T)

杜教筛处理 T2φ(T) 的前缀和即可,具体为构造 g(n)=n2

P3172 [CQOI2015] 选数

求:

i1=LRi2=LRin=LR[gcd(i1,i2,,in)=k](mod109+7)

n,k109L,R109RL105

l=Lk,r=Rk ,则:

(42)i1=LRi2=LRin=LR[gcd(i1,i2,,in)=k](43)=i1=lri2=lrin=lr[gcd(i1,i2,,in)=1](44)=i1=lri2=lrin=lrd|i1,d|i2,,d|inμ(d)(45)=d=1rμ(d)(rdl1d)n

本文作者:wshcl

本文链接:https://www.cnblogs.com/wshcl/p/18680385/Mobius

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