ra (数论 , 莫比乌斯反演 , 整点统计)

题意

求 $$\displaystyle \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} [\mathrm{lcm} (i,j) > n] \pmod {10^9 + 7}$$ .

$n \le 10^{10}$ .

题解

这是我们考试的一道题 ... 考试的时候以为能找出规律 , 后来发现还是一道数论题 qwq

而且部分分很不良心啊 , 只给了 $O(n)$ 多的一点分 , 我 $O(n \ln n)$ 根本没活路 .. 还是直接开始推吧 ~

$$\begin{align} \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} [\mathrm{lcm} (i,j) > n] &=n^2- \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} [\mathrm{lcm} (i,j) \le n]\\ &= n^2 - \sum_{d=1}^{n} \sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n}{d} \rfloor} \sum_{j=1}^{\lfloor \frac{n}{d} \rfloor} [ijd \le n] \cdot [i \bot j] \\ &= n^2 - \sum_{d=1}^{n} \sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n}{d} \rfloor} \sum_{j=1}^{\lfloor \frac{n}{d} \rfloor}[ijd \le n] \sum_{x|(i,j)}\mu(x) \\ &= n^2 - \sum_{d=1}^{n} \sum_{x=1}^{\lfloor \frac{n}{d}\rfloor} \mu(x) \sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n}{dx} \rfloor} \sum_{j=1}^{\lfloor \frac{n}{dx} \rfloor}[ijdx^2 \le n] \\ &= n^2 - \sum_{x=1}^{n} \mu(x) \sum_{d=1}^{\lfloor \frac{n}{x} \rfloor} \sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n}{dx} \rfloor} \sum_{j=1}^{\lfloor \frac{n}{dx} \rfloor}[ijdx^2 \le n] \\ \end{align}$$

到这一步不难发现由于 $[ijdx^2 \le n]$ 可以缩减很多范围了 比如 $x \le \lfloor \sqrt n \rfloor$ ... 直接一波缩范围

$$\displaystyle = n^2 - \sum_{x=1}^{\lfloor \sqrt n \rfloor} \mu(x) \sum_{d=1}^{\lfloor \frac{n}{x^2} \rfloor} \sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n}{dx^2} \rfloor} \sum_{j=1}^{\lfloor \frac{n}{dx^2} \rfloor}[ij \le \lfloor \frac{n}{dx^2} \rfloor]$$

我们可以考虑看一下后面两个 $\sum$ 好像很有特点。令

$$\displaystyle f(x) = \sum_{i=1}^{x} \sum_{j=1}^{x} [ij \le x]$$

那么原式就是

$$\displaystyle = n^2 - \sum_{x=1}^{\lfloor \sqrt n \rfloor} \mu(x) \sum_{d=1}^{\lfloor \frac{n}{x^2} \rfloor} f(\lfloor \frac{n}{dx^2} \rfloor)$$

观察一下 $f(x)$ 好像也可以进行转化

考虑枚举一个 $i,j$ 的积 , 看有多少对 $(i,j)$ 可以 .

$$\displaystyle f(x) = \sum_{d=1}^{x} \lfloor \frac{x}{d} \rfloor$$

这个容易在 $O(\sqrt n)$ 直接分块解决 . 这样带入直接做就有 60 分了 $(n \le 10^8)$ , 不会积分证明复杂度QAQ ....

卡一卡 , 在本机上能跑 $10^9$ 能拿80分 爽歪歪 qwq

后来我意识到瓶颈在 $f(x)$ 处 , 各种问人是否有公式计算 .... 后来才发现 这个竟然是今年集训队论文 ??!!!

**《一些特殊的数论函数求和问题》 —— 安徽师范大学附属中学 朱震霆 **

考虑我最初的那个式子

$$\displaystyle f(n) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} [ij \le n]$$

难道不就是数 $xy=n$ 下面的整点个数吗 !!

我认真看了论文许久，可还是看不懂，只知道大概就是用很多根切线去分割，然后去数切线下方的点.

过几天看懂了再来理解 .... 只知道复杂度是 $O(n^{\frac{1}{3}})$ 的，十分优秀 ~

然后直接找到 whzzt 的代码 ，尝试着放进去我的程序...

竟然过了！！！跑了 $0.5s$ 就过了.... (原来要跑 $6s$ )

挂一波代码就跑 qwq

代码

#include <bits/stdc++.h>
#define For(i, l, r) for (register ll i = (ll)(l), i##end = (ll)(r); i <= i##end; ++ i)
#define Fordown(i, r, l) for (register ll i = (ll)(r), i##end = (ll)(l); i >= i##end; -- i)
#define Set(a, v) memset(a, v, sizeof(a))
using namespace std;

typedef long long ll;
inline bool chkmin(ll &a, ll b) { return b < a ? a = b, 1 : 0; }
inline bool chkmax(ll &a, ll b) { return b > a ? a = b, 1 : 0; }

inline ll read() {
	ll x = 0, fh = 1; char ch = getchar();
	for (; !isdigit(ch); ch = getchar()) if (ch == '-') fh = -1;
	for (; isdigit(ch); ch = getchar()) x = (x * 10) + (ch ^ 48);
	return x * fh;
}

void File() {
	freopen ("ra.in", "r", stdin);
	freopen ("ra.out", "w", stdout);
}

const ll Mod = 1e9 + 7;

const ll N = 1e6 + 1e3;
ll mu[N], prime[N], cnt = 0; bitset<N> is_prime;
void Init(ll maxn) {
	is_prime.set(); is_prime[0] = is_prime[1] = false; mu[1]= 1;
	For (i, 2, maxn) {
		if (is_prime[i]) 
			prime[++ cnt] = i, mu[i] = -1;
		For (j, 1, cnt) {
			ll res = prime[j] * i;
			if (res > maxn) break ;
			is_prime[res] = false;
			if (i % prime[j]) mu[res] = - mu[i];
			else { mu[res] = 0; break ; }
		}
	}
}

/*inline ll SumDown(ll a) {
	ll res = M[a]; if (res) return res;
	For (i, 1, a) {
		register ll now = a / i, Nexti = a / now;
		res += now * (Nexti - i + 1); i = Nexti;
	}
	return (M[a] = res % Mod);
}*/

typedef unsigned long long uLL;
typedef unsigned long long ull;
typedef unsigned int uint;

unordered_map<ull, uLL> M;
namespace ds {
	namespace stac {
		const int N = 100005;
		uint qu[N][2]; int qr;
		inline void pop () { qr --; }
		inline void push (uint x, uint y) { qr ++; qu[qr][0] = x; qu[qr][1] = y; }
		inline void top (uint &x, uint &y) { x = qu[qr][0]; y = qu[qr][1]; }
	}
	using stac :: push;
	using stac :: pop;
	using stac :: top;
 
	inline uLL solve (ull n) {
		uLL ret = M[n];
		if (ret) return ret;
		ull w = pow (n, 0.38), v = sqrtl (n), x, y;
		uint dx, dy, ux, uy, mx, my;
		while (v * v <= n) v ++; while (v * v > n) v --;
		x = n / v, y = n / x + 1;
		push (1, 0); push (1, 1);
		auto outside = [&] (ull x, ull y) { return x * y > n; };
		auto cut_off = [&] (ull x, uint dx, uint dy) { return (uLL)x * x * dy >= (uLL)n * dx; };
		while (stac :: qr) {
			top (dx, dy);
			while (outside (x + dx, y - dy)) {
				ret += x * dy + ull(dy + 1) * (dx - 1) / 2;
				x += dx, y -= dy;
			}
			if (y <= w) break;
			while (true) {
				pop (), ux = dx, uy = dy, top (dx, dy);
				if (outside (x + dx, y - dy)) break;
			}
			while (true) {
				mx = ux + dx, my = uy + dy;
				if (!outside (x + mx, y - my)) {
					if (cut_off (x + mx, dx, dy)) break;
					ux = mx, uy = my;
				} else push (dx = mx, dy = my);
			}
		}
		for (y --; y; y --) ret += n / y;
		return stac :: qr = 0, (M[n] = ret * 2 - v * v);
	}
}


int main() {
	File();
	ll n = read(), res = 0;
	Init(1e6);

	For (x, 1, sqrt(n)) if (mu[x]) {
		register ll Lim = n / (x * x), tot = 0;;
		For (d, 1, Lim) {
			register ll now = Lim / d, Nextd = Lim / now;
			tot += ds :: solve(now) * (Nextd - d + 1); d = Nextd;
		}
		(res += Mod + tot % Mod * mu[x]) %= Mod;
	}

	res = ((n % Mod) * (n % Mod) % Mod - res + Mod) % Mod;

	cout << res << endl;

#ifdef zjp_shadow
	cerr << (double) clock() / CLOCKS_PER_SEC << endl;
#endif

	return 0;
}

__EOF__

本文作者：zjp_shadow
本文链接：https://www.cnblogs.com/zjp-shadow/p/9118862.html
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