写在前面
额,标题好像少了一个不字……应该是高中生都不能看懂的莫比乌斯反演
这是蒟蒻第一次写这么长的博文
(gyh nb),( ext{OI-Wiki} nb)
如果觉得写得凑合就点个支持吧(qwq)
前置知识
积性函数、狄利克雷卷积、数论分块(这一篇去找gyh吧我讲也讲不好)(有空慢慢补)
Mobius函数
定义
莫比乌斯函数(mu(n))定义为:
其中(p_1p_2…,p_s)是不同素数。
可以看出,当(n)没有平方因子时,(mu(n))非零。
(mu)也是积性函数。
性质
莫比乌斯函数具有如下的性质:
使用狄利克雷卷积来表示,即
证明:
(n=1)时显然成立。
若(n>1),设(n)有(s)个不同的素因子,由于(mu(d) eq0)当且仅当(d)无平方因子,故(d)中每个素因子的指数只能为(0)或(1)。
若(n)的某个因子(d),有(mu(d)=(-1)^i),则它由(i)个本质不同的质因子构成。因为质因子的总数为(s),所以满足上式的因子数有(C_s^i)个。
所以我们就可以对于原式,转化为枚举(mu(d))的值,同时运用二项式定理,故有
该式在(s=0)即(n=1)时为1,否则为(0)。
求莫比乌斯函数
因为莫比乌斯函数是积性函数,所以可以用线性筛
int n, cnt, p[A], mu[A];
bool vis[A];
void getmu() {
mu[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; i++) {
if (!vis[i]) mu[i] = -1, p[++cnt] = i;
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= n; j++) {
vis[i * p[j]] = 1;
if (i % p[j] == 0) { mu[i * p[j]] = 0; break; }
mu[i * p[j]] -= mu[i];
}
}
}
莫比乌斯反演公式
设(f(n)),(g(n))为两个数论函数。
如果有
则有
证明
-
法一:对原式做数论变换
-
(sumlimits_{d|n}g(d))替换(f(n)),即
[sumlimits_{d|n}mu(d)f(frac{n}{d})=sumlimits_{d|n}mu(d)sumlimits_{k|frac nd}g(k) ] -
变换求和顺序得
[sumlimits_{k|n}g(k)sumlimits_{d|frac n k}mu(frac nk) ] -
因为(sumlimits_{d|n}mu(d)=[n=1]),所以只有在(frac{n}{k}=1)即(n=k)时才会成立,所以上式等价于
[sumlimits_{d|n}[n=k]g(k)=g(n) ]
得证
-
-
法二:利用卷积
原问题为:已知(f=g*1),证明(g=f*mu)
转化:(f*mu=g*1*mu=g*varepsilon=g)((1*mu=varepsilon))
再次得证= =
小性质
([gcd(i,j)=1]Leftrightarrowsumlimits_{d|gcd(i,j)}mu(d))
证明
-
法一:
设(n=gcd(i,j)),那么等式右边(=sumlimits_{d|n}mu(d)=[n=1]=[gcd(i,j)=1]=)等式左边
-
法二:
利用单位函数暴力拆开:([gcd(i,j)=1]=varepsilon(gcd(i,j))=sumlimits_{d|gcd(i,j)}mu(d))
做题思路&&应用
利用狄利克雷卷积可以解决一系列求和问题。常见做法是使用一个狄利克雷卷积替换求和式中的一部分,然后调换求和顺序,最终降低时间复杂度。
经常利用的卷积有(mu*1=epsilon)和( ext{Id}=varphi*1)。
题
还是以题为主吧,但是做的题也会单独写题解,毕竟要多水几篇博客的嘛/huaji
洛谷 P2522 [HAOI2011]Problem b
有(n)组询问,每次给出(a,b,c,d,k),求(sumlimits_{x=a}^{b}sumlimits_{y=c}^{d}[gcd(x,y)=k])
设(f(n,m)=sumlimits_{i=1}^{n}sumlimits_{j= 1}^{m}[gcd(i,j)=k])
那么根据容斥原理,题目中的式子就转化成了(f(b,d)-f(b, c - 1) - f(a - 1,d) + f(a - 1, c - 1))
所以我们接下来的问题就转化为了如何求(f)的值
现在来化简(f)的值
-
容易得出原式等价于$$sumlimits_{i = 1}^{lfloorfrac{n}{k} floor}sumlimits_{j = 1}^{lfloorfrac{m}{k} floor}[gcd(i,j) = 1]$$
-
因为(epsilon(n) =sumlimits_{d|n}mu(d)=[n=1]),由此可将原式化为
[sumlimits_{i=1}^{lfloorfrac{n}{k} floor}sumlimits_{j=1}^{lfloorfrac{m}{k} floor}sumlimits_{d|gcd(i,j)}mu(d) ] -
改变枚举对象并改变枚举顺序,先枚举(d),得
[sumlimits_{d=1}^{min(n,m)}mu(d)sumlimits_{i=1}^{lfloorfrac{n}{k} floor}[d|i]sumlimits_{j=1}^{lfloorfrac{m}{k} floor}[d|j] ]也就是说当(d|i)且(d|j)时,(d|gcd(i,j))
-
易得(1sim lfloorfrac{n}{k} floor)中一共有(lfloorfrac{n}{dk} floor)个(d)的倍数,同理(1sim lfloorfrac{m}{k} floor)中一共有(lfloorfrac{m}{dk} floor)个(d)的倍数,于是原式化为$$sumlimits_{d=1}^{min(n,m)}mu(d)lfloorfrac{n}{dk} floorlfloorfrac{m}{dk} floor$$
此时已经可以(O(n))求解,但是过不了,因为有很多值相同的区间,所以可以用数论分块来做
先预处理(mu),再用数论分块,复杂度(O(n+Tsqrt n))
我的代码每次得分玄学,看评测机心情,建议自己写
/*
Author:loceaner
*/
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int A = 1e6 + 11;
const int B = 1e6 + 11;
const int mod = 1e9 + 7;
const int inf = 0x3f3f3f3f;
inline int read() {
char c = getchar(); int x = 0, f = 1;
for( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
int n, a, b, c, d, k, cnt, p[A], mu[A], sum[A];
bool vis[A];
void getmu() {
int MAX = 50010;
mu[1] = 1;
for (int i = 2; i <= MAX; i++) {
if (!vis[i]) mu[i] = -1, p[++cnt] = i;
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= MAX; j++) {
vis[i * p[j]] = true;
if (i % p[j] == 0) break;
mu[i * p[j]] -= mu[i];
}
}
for (int i = 1; i <= MAX; i++) sum[i] = sum[i - 1] + mu[i];
}
int work(int x, int y) {
int ans = 0ll;
int max = min(x, y);
for (int l = 1, r; l <= max; l = r + 1) {
r = min(x / (x / l), y / (y / l));
ans += (1ll * x / (l * k)) * (1ll * y / (l * k)) * 1ll * (sum[r] - sum[l - 1]);
}
return ans;
}
void solve() {
a = read(), b = read(), c = read(), d = read(), k = read();
cout << work(b, d) - work(a - 1, d) - work(b, c - 1) + work(a - 1, c - 1) << '
';
}
signed main() {
getmu();
int T = read();
while (T--) solve();
return 0;
}
洛谷 P3455 [POI2007]ZAP-Queries
有(T)组询问,每次询问求
因为我不喜欢用(x、y、a、b、d),所以一一对应换成(i、j、n、m、k)
直接淦式子
现在就可以每次询问(O(n))做这道题了
但是跑不过啊,不过显然可以数论分块,所以我们就可以(O(sqrt n))回答每次询问了
/*
Author:loceaner
*/
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int A = 5e5 + 11;
const int B = 1e6 + 11;
const int mod = 1e9 + 7;
const int inf = 0x3f3f3f3f;
inline int read() {
char c = getchar(); int x = 0, f = 1;
for( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
int n, m, k, mu[A], p[A], sum[A], cnt;
bool vis[A];
void getmu(int n) {
mu[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; i++) {
if (!vis[i]) p[++cnt] = i, mu[i] = -1;
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= n; j++) {
vis[i * p[j]] = 1;
if (i % p[j] == 0) break;
mu[i * p[j]] -= mu[i];
}
}
for (int i = 1; i <= n; i++) sum[i] = sum[i - 1] + mu[i];
}
int solve(int n, int m, int k) {
int ans = 0, maxn = min(n, m);
for (int l = 1, r; l <= maxn; l = r + 1) {
r = min(n / (n / l), m / (m / l));
ans += (sum[r] - sum[l - 1]) * (n / (k * l)) * (m / (k * l));
}
return ans;
}
int main() {
getmu(50000);
int T = read();
while (T--) {
n = read(), m = read(), k = read();
cout << solve(n, m, k) << '
';
}
return 0;
}
洛谷 P1829 [国家集训队]Crash的数字表格 / JZPTAB
求
容易想到原式等价于
枚举(i,j)的最大公约数(d),显然(gcd(frac id,frac jd)=1),即(frac id)和(frac jd)互质
变换求和顺序
记(sum(n,m)=sumlimits_{i=1}^{n}sumlimits_{j=1}^{m}[gcd(i,j)=1]i*j)
对其进行化简,用(varepsilon(gcd(i,j)))替换([gcd(i,j)=1])
转化为首先枚举约数
设(i=i'*d,j=j'*d),则可以进一步转化
前半段可以处理前缀和,后半段可以(O(1))求,设
显然可以(O(1))求解
到现在
可以用数论分块求解
回带到原式中
又可以数论分块求解了
然后就做完啦
/*
Author:loceaner
*/
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#define int long long
using namespace std;
const int A = 1e7 + 11;
const int B = 1e6 + 11;
const int mod = 20101009;
const int inf = 0x3f3f3f3f;
inline int read() {
char c = getchar(); int x = 0, f = 1;
for( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
bool vis[A];
int n, m, mu[A], p[B], sum[A], cnt;
void getmu() {
mu[1] = 1;
int k = min(n, m);
for (int i = 2; i <= k; i++) {
if (!vis[i]) p[++cnt] = i, mu[i] = -1;
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= k; ++j) {
vis[i * p[j]] = 1;
if (i % p[j] == 0) break;
mu[i * p[j]] = -mu[i];
}
}
for (int i = 1; i <= k; i++) sum[i] = (sum[i - 1] + i * i % mod * mu[i]) % mod;
}
int Sum(int x, int y) {
return (x * (x + 1) / 2 % mod) * (y * (y + 1) / 2 % mod) % mod;
}
int solve2(int x, int y) {
int res = 0;
for (int i = 1, j; i <= min(x, y); i = j + 1) {
j = min(x / (x / i), y / (y / i));
res = (res + 1LL * (sum[j] - sum[i - 1] + mod) * Sum(x / i, y / i) % mod) % mod;
}
return res;
}
int solve(int x, int y) {
int res = 0;
for (int i = 1, j; i <= min(x, y); i = j + 1) {
j = min(x / (x / i), y / (y / i));
res = (res + 1LL * (j - i + 1) * (i + j) / 2 % mod * solve2(x / i, y / i) % mod) % mod;
}
return res;
}
signed main() {
n = read(), m = read();
getmu();
cout << solve(n, m) << '
';
}
洛谷 P2257 YY的GCD
给定(n,m),求二元组((x,y))的个数,满足(1leq xleq n,1leq yleq m),且(gcd(x,y))是素数。
(n,mleq 10^7),自带多组数据,至多(10^{4})组数据。
思路与第一题Problem B类似,在这里不再赘述,只给出代码= =
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
using namespace std;
const int A = 1e7 + 11;
inline int read() {
char c = getchar(); int x = 0, f = 1;
for ( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for ( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
bool vis[A];
long long sum[A];
int prim[A], mu[A], g[A], cnt, n, m;
void get_mu(int n) {
mu[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; i++) {
if (!vis[i]) {
mu[i] = -1;
prim[++cnt] = i;
}
for (int j = 1; j <= cnt && prim[j] * i <= n; j++) {
vis[i * prim[j]] = 1;
if (i % prim[j] == 0) break;
else mu[prim[j] * i] = - mu[i];
}
}
for (int j = 1; j <= cnt; j++)
for (int i = 1; i * prim[j] <= n; i++) g[i * prim[j]] += mu[i];
for (int i = 1; i <= n; i++) sum[i] = sum[i - 1] + (long long)g[i];
}
signed main() {
int t = read();
get_mu(10000000);
while (t--) {
n = read(), m = read();
if (n > m) swap(n, m);
long long ans = 0;
for (int l = 1, r; l <= n; l = r + 1) {
r = min(n / (n / l), m / (m / l));
ans += 1ll * (n / l) * (m / l) * (sum[r] - sum[l - 1]);
}
cout << ans << '
';
}
return 0;
}
洛谷 P3327 [SDOI2015]约数个数和
求
(d(x))为(x)的约数个数和
需要用到
证明我也不会
然后自己推导吧,在此不再赘述
/*
Author:loceaner
*/
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int A = 5e5 + 11;
const int B = 1e6 + 11;
const int mod = 1e9 + 7;
const int inf = 0x3f3f3f3f;
inline int read() {
char c = getchar(); int x = 0, f = 1;
for( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
bool vis[A];
int n, m, p[A], mu[A], cnt, sum[A];
long long g[A], ans;
void getmu(int n) {
mu[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; i++) {
if (!vis[i]) mu[i] = -1, p[++cnt] = i;
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= n; j++) {
vis[i * p[j]] = 1;
if (i % p[j] == 0) break;
mu[i * p[j]] -= mu[i];
}
}
for (int i = 1; i <= n; i++) sum[i] = sum[i - 1] + mu[i];
for (int i = 1; i <= n; i++) {
int ans = 0;
for (int l = 1, r; l <= i; l = r + 1) {
r = (i / (i / l));
ans += 1ll * (r - l + 1) * (i / l);
}
g[i] = ans;
}
}
signed main() {
int T = read();
getmu(50000);
while (T--) {
n = read(), m = read();
int maxn = min(n, m);
ans = 0;
for (int l = 1, r; l <= maxn; l = r + 1) {
r = min(n / (n / l), m / (m / l));
ans += 1ll * (sum[r] - sum[l - 1]) * 1ll * g[n / l] * 1ll * g[m / l];
}
cout << ans << '
';
}
return 0;
}
洛谷 P4449 于神之怒加强版
求
还是直接淦式子
令(P=dx),则原式等于
显然前面的(lfloorfrac n{P} floorlfloorfrac m{P} floor)部分可以分块求解。
现在考虑后面的一部分,令
容易得出这个函数是积性函数,所以我们就可以线性筛然后求出其前缀和
然后就做完了
/*
Author:loceaner
莫比乌斯反演
*/
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#define int long long
using namespace std;
const int A = 5e6 + 11;
const int B = 1e6 + 11;
const int mod = 1e9 + 7;
const int inf = 0x3f3f3f3f;
inline int read() {
char c = getchar();
int x = 0, f = 1;
for( ; !isdigit(c); c = getchar()) if(c == '-') f = -1;
for( ; isdigit(c); c = getchar()) x = x * 10 + (c ^ 48);
return x * f;
}
bool vis[A];
int T, n, m, k, f[A], g[A], p[A], cnt, sum[A];
inline int power(int a, int b) {
int res = 1;
while (b) {
if (b & 1) res = res * a % mod;
a = a * a % mod, b >>= 1;
}
return res;
}
inline int mo(int x) {
if(x > mod) x -= mod;
return x;
}
inline void work() {
g[1] = 1;
int maxn = 5e6 + 1;
for (int i = 2; i <= maxn; i++) {
if (!vis[i]) { p[++cnt] = i, f[cnt] = power(i, k), g[i] = mo(f[cnt] - 1 + mod); }
for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= maxn; j++) {
vis[i * p[j]] = 1;
if (i % p[j] == 0) { g[i * p[j]] = g[i] * 1ll * f[j] % mod; break; }
g[i * p[j]] = g[i] * 1ll * g[p[j]] % mod;
}
}
for (int i = 2; i <= maxn; i++) g[i] = (g[i - 1] + g[i]) % mod;
}
inline int abss(int x) {
while (x < 0) x += mod;
return x;
}
signed main() {
T = read(), k = read();
work();
while (T--) {
n = read(), m = read();
int maxn = min(n, m), ans = 0;
for (int l = 1, r; l <= maxn; l = r + 1) {
r = min(n / (n / l), m / (m / l));
(ans += abss(g[r] - g[l - 1]) * 1ll * (n / l) % mod * (m / l) % mod) %= mod;
}
ans = (ans % mod + mod) % mod;
cout << ans << '
';
}
return 0;
}