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  • 学习笔记 莫比乌斯反演简单整理

    写在卸载之前

    正在数论只会抄题解的道路上越行越远

    正式开始

    1.迪利克雷卷积

    1)定义新运算\(*\)

    注意这里\(*\)不是乘法

    \(h,f,g\)都是函数名称

    定义 \(h=f*g\)

    \[h=f*g=\sum_{d|n}f(d)g(\frac{n}{d})=\sum_{d|n}f(\frac{n}{d})g(d) \]

    2)介绍几个函数

    \(a(x)\):对于任意\(x\) 都有\(a(x)=1\)

    \(b(x)\):对于任意\(x\) 都有\(b(x)=x\)

    \(e(x)\):也被称之为单位元函数 对于任意\(x\) 都有\(e(x)=[x=1]\)

    乘法存在逆元 迪利克雷卷积也存在逆元

    3)逆元

    如果对于函数\(f\)存在

    \[f*g=e \]

    那么我们就认为g为f的逆元

    2.莫比乌斯反演

    首先介绍一个函数 莫比乌斯函数\(μ\)

    ta是\(a(x)=1\)函数的逆元

    也就是$$μ*a=e$$

    我们使用迪利克雷卷积$$μ*a=\sum_{d|n}μ(d)a(\frac{n}{d})=\sum_{d|n}μ(d)=[n=1]$$

    我们可以发现 μ的取值就是

    \[μ(n)=\begin{cases} 1,n=1\\ 0,存在一个平方数是n的因子\\ (-1)^m,n存在m个质因子\\ \end{cases} \]

    当然 \(μ\)也是一个积性函数

    可以使用线性筛求解

    int mul[N],prime[N];
    bool mark[N];
    
    mul[1]=1;
    for(int i=2;i<=n;++i)
    {
          if(!mark[i]) {prime[++tot]=i;mul[i]=-1;}
          for(int j=1;j<=tot&&prime[j]*i<=n;++j)
          {
                mark[prime[j]*i]=1;
                if(i%prime[j]==0)
                {
                      mul[prime[j]*i]=0;
                      break;
                }
                else mul[prime[j]*i]=-mul[i];
          }
    }
    

    我们接下来来具体化一个式子

    \[\sum_{i=1}^{n}\sum_{d|i}μ(d) \]

    先枚举了i 再枚举i的所有约数 等于先枚举d再枚举[1,n]范围内的所有倍数

    等价于$$\sum_{d=1}^{n}\lfloor{\frac{n}{d}}\rfloorμ(d)$$

    从而我们得到了两个结论

    \[\sum_{d|n}μ(n)=[n=1] \]

    \[\sum_{i=1}^{n}\sum_{d|i}μ(d)=\sum_{d=1}^n\lfloor{\frac{n}{d}}\rfloorμ(d) \]

    我们再来看看这个式子

    \[\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m[gcd(i,j)=1] \]

    我们使用结论1

    \[\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\sum_{d|gcd(i,j)}μ(d)\\ =\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\sum_{d|i}\sum_{d|j}μ(d)\\ =\sum_{i=1}^n\sum_{d|i}\sum_{j=1}^m\sum_{d|j}μ(d) \]

    使用结论2

    \[\sum_{i=1}^n\sum_{d|i}\sum_{j=1}^m\sum_{d|j}μ(d)\\ =\sum_{d=1}^n\lfloor{\frac{n}{d}}\rfloor\sum_{d=1}^m\lfloor{\frac{m}{d}}\rfloorμ(d)\\ =\sum_{d=1}^{min(n,m)}\lfloor{\frac{n}{d}}\rfloor\lfloor{\frac{m}{d}}\rfloorμ(d) \]

    也就是

    \[\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\sum_{d|gcd(i,j)}μ(d)\\ =\sum_{d=1}^{min(n,m)}\lfloor{\frac{n}{d}}\rfloor\lfloor{\frac{m}{d}}\rfloorμ(d) \]

    这个作为结论3

    有了这三个结论

    现在我们来做一道板子题

    【P2398 GCD SUM】

    \[\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^ngcd(i,j)\\ =\sum_{d=1}^nd\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^n[gcd(i,j)=d]\\ =\sum_{d=1}^nd\sum_{i=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}[gcd(i,j)=1] \]

    使用结论3 也就是

    \[\sum_{d=1}^nd\sum_{t=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}μ(t){\lfloor\frac{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}{t}\rfloor}^2 \]

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