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  • 积性函数和狄利克雷卷积小结

    1、积性函数:对于函数$f(n)$,若满足对任意互质的数字a,b,a*b=n且$f(n)=f(a)f(b)$,那么称函数f为积性函数。显然f(1)=1。

    2、狄利克雷卷积:对于函数f,g,定义它们的卷积为$(f*g)(n)=sum_{d|n}f(d)g(frac{n}{d})$。

    3、两个积性函数的狄利克雷卷积仍为积性函数。
    证明:
    设f,g的狄利克雷卷积为h,即$h(n)=sum_{d|n}f(d)g(frac{n}{d})$,设n=a*b,a或b为1时显然成立,下面证明a和b均不为1
    设$n=p_{1}^{alpha _{1}}p_{2}^{alpha _{2}}...p_{m}^{alpha _{m}},a=p_{1}^{alpha _{1}}p_{2}^{alpha _{2}}...p_{k}^{alpha _{k}},b=p_{k+1}^{alpha _{k+1}}p_{k+2}^{alpha _{k+2}}...p_{m}^{alpha _{m}}$
    其中$mgeq 2,1leq kleq m-1$
    $h(n)=sum_{d|n}f(d)g(frac{n}{d})$
    $h(a)=sum_{d1|n}f(d1)g(frac{a}{d1})$
    $h(b)=sum_{d2|n}f(d2)g(frac{b}{d2})$
    首先h(n)等号右侧有$prod_{i=1}^{m}(alpha _{i}+1)$项,h(a)等号右侧有$prod_{i=1}^{k}(alpha _{i}+1)$项,h(b)等号右侧有$prod_{i=k+1}^{m}(alpha _{i}+1)$项,,所以h(n)和h(a)h(b)的项数是一样的。
    其次,对于h(n)右侧的每一项,设某一项为f(x)g(y),
    $x=p_{1}^{eta _{1}}p_{2}^{eta _{2}}...p_{m}^{eta _{m}}$,
    $y=p_{1}^{gamma _{1}}p_{2}^{gamma _{2}}...p_{m}^{gamma _{m}}$,
    一定存在$X=p_{1}^{eta _{1}+gamma _{1}}p_{2}^{eta _{2}+gamma _{2}}...p_{k}^{eta _{k}+gamma _{k}}$,$Y=p_{k+1}^{eta _{k+1}+gamma _{k+1}}p_{k+2}^{eta _{k+2}+gamma _{k+2}}...p_{m}^{eta _{m}+gamma _{m}}$,使得f(X)是h(a)右侧的项,g(Y)是h(b)右侧的项,由于f,g都是积性函数,那么f(X)g(Y)=f(x)g(y)。
    因此,h(n)=h(a)h(b)。

    4、欧拉函数是积性函数。
    设$n=p_{1}^{alpha _{1}}p_{2}^{alpha _{2}}...p_{m}^{alpha _{m}},a=p_{1}^{alpha _{1}}p_{2}^{alpha _{2}}...p_{k}^{alpha _{k}},b=p_{k+1}^{alpha _{k+1}}p_{k+2}^{alpha _{k+2}}...p_{m}^{alpha _{m}}$,
    那么$varphi (n)=nprod_{i=1}^{m}(1-frac{1}{p_{i}})$,
    $varphi (a)=aprod_{i=1}^{k}(1-frac{1}{p_{i}})$,
    $varphi (b)=bprod_{i=k+1}^{m}(1-frac{1}{p_{i}})$,
    由于n=ab,显然$varphi (n)=varphi (a)varphi (b)$

    5、莫比乌斯函数($mu$)是积性函数。由莫比乌斯函数的定义,分1,-1,0讨论就好。

    6、莫比乌斯反演:对于函数f(n)和F(n),若$F(n)=sum_{d|n}f(d)$,那么$f(n)=sum_{d|n}mu (d)F(frac{n}{d})$。

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