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  • 莫比乌斯反演

    积性函数

    Def.

    积性函数:

    \(1)f(1)=1\)

    \(2)x,y\in N^{+},gcd(x,y)=1,都有f(xy)=f(x)f(y)\)

    完全积性函数:

    \(1)f(1)=1\)

    \(2)x,y\in N^{+},都有f(xy)=f(x)f(y)\)

    e.g.

    完全积性函数:

    \(1)单位函数:\varepsilon(n)=[n==1]\)

    \(2)恒等函数:id_k(n)=n^k,id_1简记id\)

    \(3)常数函数:1(n)=1\)

    积性函数:

    \(1)欧拉函数:\phi(n)=\sum_{i=1}^{n}[gcd(i,n)==1]\)

    prove.

    \(2)除数函数:\sigma_k(n)=\sum_{d|n}d^k\)

    \(\quad k=0,约数个数函数\sigma_0\)

    \(\quad k=1,约数和函数\sigma_1,简记为\sigma\)

    \(3)Möbius :\mu(n)=\begin{cases} 1&n =1\\ 0&\text{n含有平方因子}\\ (-1)^k& \text{k为n的本质不同的质因子个数} \end{cases}\)

    性质:

    \(若f(x)和g(x)均为积性函数,则以下函数也都是积性函数:\)

    \(1)h(x)=f(x^p)\)

    \(2)h(x)=f^p(x)\)

    \(3)h(x)=f(x)g(x)\)

    \(4)h(x)=\sum_{d|x}f(d)g(\frac{x}{d})\)

    卷积

    Def.\((f\ast g)(n)=\sum_{d\mid n}f(d)g(\frac{n}{d})\)

    \(性质:\)

    \(\cdot 交换律:f\ast g=g\ast f\)

    \(\cdot 结合律:(f\ast g)\ast h=f\ast (g\ast h)\)

    \(\cdot分配律:f\ast (g+h)=f\ast g +f\ast h\)

    \(\cdot f\ast \varepsilon=f,其中\varepsilon 为Dirichlet 卷积的单位元 (任何函数卷\varepsilon 为其本身)\)

    Theorem.若f,g为两个积性函数,则f*g为积性函数​

    prove.n⊥m(gcd(n,m)=1)

    \(要证f*g为积性函数,即证:(f*g)(n)\cdot(f*g)(m)=f*g(nm)\)

    \(根据定义,\sum_{d\mid n}f(d)g(\frac{n}{d})\)

    \(左=(\sum_{d_1\mid n}f(d_1)g(\frac{n}{d_1}))(\sum_{d_2\mid m}f(d_2)g(\frac{m}{d_2}))\)

    \(\quad=\sum_{d_1\mid n}(f(d_1)g(\frac{n}{d_1})(\sum_{d_2\mid m}f(d_2)g(\frac{m}{d_2}))\)

    \(\quad=\sum_{d_1\mid n}\sum_{d_2\mid m}f(d_1)g(\frac{n}{d_1})f(d_2)g(\frac{m}{d_2})[]\)

    \(\quad=\sum_{d_1\mid n}\sum_{d_2\mid m}f(d_1d_2)g(\frac{nm}{d_1d_2})\)

    \(\quad=\sum_{d\mid nm}f(nm)g(\frac{nm}{d})\)

    \(\because n\perp m\)

    \(\therefore d_1\perp d_2,\forall d|nm,则\exists d=d_1\cdot d_2唯一分解,s.t. d_1|n且d_2|m\)

    \(\therefore d_1不同或d_2不同,d一定不同[分解唯一性],d不同,d_1或d_2也不同[d_1*d_2=常数]\)

    \([像极了线性代数空间]\)

    定义

    \[Möbius :\mu(n)=\begin{cases} 1&n =1\\ 0&\text{n含有平方因子}\\ (-1)^k& \text{k为n的本质不同的质因子个数} \end{cases} \]

    \(n=\prod_{i=1}^kp_i^{c_i},其中p_i为质因子,c_i\ge1\)

    \(1.n=1,\mu(n)=1;\)

    \(2.对于n\neq 1时\)

    \(\quad a.\exists i\in [1,k] ,s.t.c_i>1 ,则\mu(n)=0\)

    \(\quad b.\forall i\in [1,k],c_i=0,则\mu(n)=(-1)^k\)

    性质

    \(1.积性函数\)

    \(2.f(n)=\sum_{d\mid n}\mu(d)=\begin{cases}1&n=1\\0&n\neq 1\\\end{cases}.\)

    \(3.f=\varepsilon\)

    \(4.即\varepsilon=\mu*1\)

    \(prove.\)

    \(2.设n=\prod_{i=1}^kp_i^{c_i},m=\prod_{i=1}^kp_i\)

    \(\therefore \sum_{d\mid n}\mu(d)=\sum_{d\mid m}\mu(d)=\sum_{i=0}^kC_k^i\cdot(-1)^k=(1+(-1))^k\)

    \(\therefore \sum_{d\mid n}\mu(d)=\begin{cases}1&n=1\\0&n\neq 1\\\end{cases}\)

    \(\therefore \sum_{d\mid n}\mu(d)=[n==1]\)

    \(3.f(n)=\sum_{d\mid n}\mu(d)\)

    \(\mu\ast f=\sum_{d\mid n}\mu(d)f(\frac{n}{d})=\sum_{d\mid n}(\mu(d)\sum_{d_2\mid \frac{n}{d}}\mu(d_2))=\sum_{d\mid n}(\sum_{d_2\mid \frac{n}{d}}\mu(d)\mu(d_2))\)

    \(考虑到只有gcd(d,d_2)=1,\mu(d)\neq 0,\mu(d_2)\neq 0\)

    \(m=\prod_{i=1}^kp_i\)

    \(\therefore 原式= \sum_{i=0}^kC_k^i\cdot(-1)^k=\mu(n)\)

    \(\therefore \mu*f=\mu\)

    \(\therefore f=\varepsilon\)

    \(反演结论:\)

    \(\varepsilon(gcd(i,j))=[gcd(i,j)==1]\Leftrightarrow \sum_{d\mid gcd(i,j)}\mu(d)\)

    拓展

    \(1)\phi*1=id\)

    \(prove.\)

    \(n=\prod_{i=1}^{k}p_i^{c_i},令m_i=p_i^{c_i}\)

    \(\because 积性函数\)

    \(\therefore \phi(n)=\prod_{i=1}^k\phi(p_i^{c_i})\)

    \(若(\phi *1)(m_i)=id(m_i),则两边同乘(\phi*1)(m_j)=id(m_j)\)

    \((\phi *1)(m_i)\cdot (\phi*1)(m_j)=id(m_i)\cdot id(m_j)\)

    \(\Rightarrow (\phi *1)(m_i\cdot m_j)=id(m_i\cdot m_j)[\phi*1积性函数]\)

    \(\Rightarrow 要证\phi(n)=id(n) ,只要证\phi(m_i)=id(m_i)\)

    \(prove:\phi(m_i)=id(m_i)\)

    \(因为p是质数,所以d=p^0,p^1,p^2,...,p^c\)

    \(\phi(p^i)=ip^i-p^{i-1},因为一共有p^{i-1}个数是p的倍数,与p^i不互质\)

    \(\phi*1=\sum_{d|m}\phi(\frac{m}{d})\)

    \(\quad =\sum_{i=0}^{c}\phi(p^c)\)

    \(\quad =p^0+(p^1-p^0)+(p^2-p^1)+...+(p^c-p^{c-1})\)

    \(\quad =p^c\)

    \(\quad =id\)

    \(2)\phi=id*\mu\)

    \(prove.\)

    \(\phi*1=id,两边同时卷\mu\)

    \(得\phi*(1*\mu)=id*\mu\)

    \(得\phi*(\varepsilon)=id*\mu\)

    \(得\phi=id*\mu\)

    Möbius 反演

    公式:

    \(1)如果有f(n)=\sum_{d|n}g(d),那么有g(n)=\sum_{d|n}\mu(d)f(\frac{n}{d}),f=g*1\Rightarrow g=\mu*f\)

    \(2)如果有f(n)=\sum_{n|d}g(d),那么有g(n)=\sum_{n|d}\mu(\frac{d}{n})f(d)\)

    \(2)根据zx书写习惯:如果有f(d)=\sum_{d|n}g(n),那么有g(d)=\sum_{d|n}\mu(\frac{n}{d})f(n)\)

    prove.

    \(1)\)

    \(方法一,利用\mu*1=\varepsilon\)

    \(方法二,数论变换\)

    \(\quad \sum_{d|n}\mu(d)f(\frac{n}{d})\)

    \(\quad=\sum_{d|n}\mu(d)\sum_{k|\frac{n}{d}}g(k)\)

    \(\quad=\sum_{d|n}\sum_{k|\frac{n}{d}}\mu(d)g(k)\)

    \(\quad=\sum_{k|n}\sum_{d|\frac{n}{k}}\mu(d)g(k)\quad[d|n且k|\frac{n}{d} \Leftrightarrow k|n且d|\frac{n}{k},求和符号其实是矩阵元求和,元素(d,k)依然在矩阵中]\)

    \(\quad=\sum_{k|n}g(k)\sum_{d|\frac{n}{k}}\mu(d)\)

    \(\quad=g(n)\quad [\sum_{d|n}\mu(d)=[n==1]=\varepsilon ]\)

    \(2)\)

    \(利用上面方法二,考虑逆推这个式子[复习完黎曼重排继续推]\)

    \(\quad\sum_{d|n}\mu(\frac{n}{d})f(n)\)

    \(=\sum_{d|n}\mu(\frac{n}{d})\sum_{n|m}g(m)\quad 已知d枚举n,已知n枚举m\)

    \(=(\sum_{d|n}\mu(\frac{n}{d}))(\sum_{n|m}g(m))\)

    \(令\frac{n}{d}=i,\frac{m}{n}=j\)

    \(=\sum_{i=1}^{\infty}\mu(i)\sum_{j=1}^{\infty}g(ijd)\)

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