数论函数 学习笔记

数论函数&&莫比乌斯反演&&杜教筛

1.各种积性函数

单位函数:

\epsilon(n)=[n=1]=\begin{equation} \left\{ \begin{array}{**lr**} 1,\quad n=1 \\ 0,\quad n\neq0 \end{array} \right. \end{equation}

Id函数

idk(n)=nkid_k(n)=n^k

其中记Id(x)=id1(x)=xId(x)=id_1(x)=x

除数函数:

σk(n)=∑d∣ndk\sigma_k(n)=\sum_{d|n}d^k

其中σ0(n)\sigma_0(n)常记为d(n)d(n),约数和σ1(n)\sigma_1(n)常记为σ(n)\sigma(n)。

欧拉函数:

ϕ(n)=n⋅∏i=1s(1−1pi)\phi(n)=n\cdot\prod^s_{i=1}\big(1-\frac{1}{p_i} \big)

其中n=p1α1p2α2⋯psαsn=p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}\cdots p_s^{\alpha_s}

欧拉函数有如下性质

n=∑d∣nϕ(d)n=\sum_{d|n}\phi(d)

或:Id=ϕ∗1Id=\phi*1

证明:把1到n的整数按与n的最大公约数分类

若gcd(n,i)=dgcd(n,i)=d,那么gcd(nd,id)=1gcd(\frac n d,\frac i d)=1。

又nd⩾id\frac n d\geqslant\frac i d ,这样的id\frac i d有ϕ(nd)\phi(\frac n d) 个

所以i有ϕ(nd)\phi(\frac n d)个。

因此

n=∑d∣nϕ(nd)=∑d∣nϕ(d)n=\sum_{d|n}\phi(\frac n d)=\sum_{d|n}\phi(d)

因为nd\frac n d和d遍历的n的约数。

莫比乌斯函数:

\mu(n)=\begin{equation} \left\{ \begin{array}{**lr**} 1,\quad n=1 \\ (-1)^s, n=p_1p_2\cdots p_s\\ 0,\quad otherwise \end{array} \right. \end{equation}

其中otherwise表示n有平方因子。

性质:

∑d∣nμ(d)=ϵ(n)\sum_{d|n}\mu(d)=\epsilon(n)

即

μ∗1=ε\mu*1=\varepsilon

证明:

n=1n=1时显然成立

n>1n>1 ,设π(n)=s\pi(n)=s,当μ(d)≠0\mu(d)\neq0时,d的每个素因子质数为0或1

可以从中选出k个指数为1,选法共有(sk)\binom s k种。

所以,根据二项式定理,有(请走这边)

∑d∣nμ(d)=∑k=0s(−1)k(sk)=(1−1)s=0\sum_{d|n}\mu(d)=\sum^s_{k=0}(-1)^k\binom s k =(1-1)^s=0

得证

2.狄利克雷卷积

h(n)=∑d∣nf(d)g(nd)h(n)=\sum_{d|n}f(d)g(\frac n d)

记作h=f∗gh=f*g

性质:

单位函数ε\varepsilon是狄利克雷卷积的单位元,即f∗ε=ff*\varepsilon=f

狄利克雷卷积满足交换律和结合律

如果f,gf,g都是积性函数,那么f∗gf*g也是积性函数

证明:

设n=p1α1p2α2⋯psαsn=p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}\cdots p_s^{\alpha_s},那么有

f(n)=α1f(p1)α2f(p2)⋯αsf(ps)g(n)=α1g(p1)α2g(p2)⋯αsg(ps)h(n)=f∗g=α1(f(1)+g(n))+α2(f(p1)+g(np1))+⋯=α1h(p1))α2h(p2)⋯αsh(ps)f(n)=\alpha _1f(p_1)\alpha _2f(p_2)\cdots \alpha _sf(p_s)\\ g(n)=\alpha _1g(p_1)\alpha _2g(p_2)\cdots \alpha _sg(p_s)\\ h(n)=f*g=\alpha_1(f(1)+g(n))+\alpha_2(f(p_1)+g(\frac n {p_1}))+\cdots\\=\alpha_1 h(p_1))\alpha _2h(p_2)\cdots \alpha _sh(p_s)

常用卷积:μ∗1=ϵ,Id=ϕ∗1\mu*1=\epsilon,Id=\phi*1

3.莫比乌斯反演

莫比乌斯变换

g(n)=∑d∣nf(d)g(n)=\sum_{d|n}f(d)

称g是f的莫比乌斯变换,f是g的莫比乌斯逆变换。

也记作g=f∗1g=f*1。

莫比乌斯反演定理

g(n)=∑d∣nf(d)⇔f(n)=∑d∣ng(d)μ(nd)g(n)=\sum_{d|n}f(d)\Leftrightarrow f(n)=\sum_{d|n}g(d)\mu(\frac n d)

证明:

g=f∗1⇔f=f∗ε=f∗1∗μ=g∗μg=f*1\Leftrightarrow f=f*\varepsilon=f*1*\mu=g*\mu

经典问题

跟定x,y,使x,y互质的数对数有多少

∑x=1n∑y=1m[gcd(x,y)=1]=∑x=1n∑y=1m∑d∣gcd(x,y)μ(d)=∑x=1n∑y=1m∑d∣x,d∣yμ(d)=∑d∣x,d∣y∑x=1n∑y=1mμ(d)=∑d=1min(n,m)μ(d)⌊nd⌋⌊md⌋\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}[gcd(x,y)=1]\\= \sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\sum_{d|gcd(x,y)}\mu(d)\\ =\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\sum_{d|x,d|y}\mu(d) \\ =\sum_{d|x,d|y}\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\mu(d)\\ =\sum^{min(n,m)}_{d=1}\mu(d)\left\lfloor\frac n d\right\rfloor\left\lfloor\frac m d\right\rfloor

∑x=1n∑y=1m[gcd(x,y)=1]=∑x=1n∑y=1m∑d∣gcd(x,y)μ(d)=∑x=1n∑y=1m∑d∣x,d∣yμ(d)=∑d∣x,d∣y∑x=1n∑y=1mμ(d)=∑d=1min(n,m)μ(d)⌊nd⌋⌊md⌋\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}[gcd(x,y)=1]=\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\sum_{d|gcd(x,y)}\mu(d)\\=\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\sum_{d|x,d|y}\mu(d)\\=\sum_{d|x,d|y}\sum^n_{x=1}\sum^m_{y=1}\mu(d)\\=\sum^{min(n,m)}_{d=1}\mu(d)\left\lfloor\frac n d\right\rfloor\left\lfloor\frac m d\right\rfloor

4.杜教筛(SUM)

杜教筛是对数论函数求和的一种方式。

欧拉函数前缀和:

φ(n)=∑i=1nϕ(i)\varphi(n)=\sum^n_{i=1}\phi(i)

考虑到Id=ϕ∗1Id=\phi*1,有

12n(n+1)=∑k=1nk=∑k=1n∑d∣kϕ(d)=∑k=1n∑d∣kϕ(kd)=∑d=1n∑k=1⌊nd⌋ϕ(k)=∑d=1nφ(⌊nd⌋)\frac 1 2n(n+1)=\sum^n_{k=1}k=\sum^n_{k=1}\sum_{d|k}\phi(d)\\ =\sum^n_{k=1}\sum_{d|k}\phi(\frac k d)\\ =\sum^n_{d=1}\sum^{\lfloor\frac n d\rfloor}_{k=1}\phi(k)=\sum^n_{d=1}\varphi(\left\lfloor\frac n d\right\rfloor)

莫比乌斯函数前缀和:

考虑到1=μ∗ϵ1=\mu*\epsilon,有

1=∑k=1nϵ(k)=∑k=1n∑d∣kμ(kd)=∑d=1n∑d∣kk∈[1,n]μ(kd)=∑d=1n∑k=1⌊nd⌋μ(k)=∑d=1nM(⌊nd⌋)1=\sum^n_{k=1}\epsilon(k)=\sum^n_{k=1}\sum_{d|k}\mu(\frac k d)\\ =\sum^n_{d=1}\sum_{d|k\\k\in[1,n]}\mu(\frac k d)=\sum^n_{d=1}\sum^{\lfloor\frac nd\rfloor}_{k=1}\mu(k)=\sum^n_{d=1}M(\left\lfloor\frac n d\right\rfloor)

一般积性函数的前缀和:

ffff