初等数论入门 Lesson 4 莫比乌斯反演
线性筛求 μ(1…n)
- μ(1)=1
- 若 i 是素数:μ(i)=−1
- 若 imodpj=0,即 pj2∣i,则 μ(i⋅pj)=0
- 否则:μ(i⋅pj)=−μ(i)
基础函数与Dirichlet卷积
ε(n)={1,0,n=1n>1
满足 ε∗f=f∗ε=f
1(n)≡1
故:
(1∗f)(n)=d∣n∑f(d)
μ 与常值函数 1 互逆
d∣n∑μ(d)={1,0,n=1n>1
卷积形式:
μ∗1=ε=1∗μ
证明:
d∣n∑μ(d)=r=0∑k(rk)(−1)r=(1−1)k=0
重要性:
定义:
F(n)=(1∗f)(n)=d∣n∑f(d)
则:
(μ∗F)(n)=(μ∗(1∗f))(n)=((μ∗1)∗f)(n)=ε∗f=f(n)
本质:
μ 是常值函数 1 在 Dirichlet卷积下的逆元
莫比乌斯反演定理
整除型
若:
F(n)=d∣n∑f(d)
则
f(n)=d∣n∑μ(d)F(dn)
倍数型
若:
F(n)=n∣d,d≤N∑f(d)
则:
f(d)=n∣d,d≤N∑μ(nd)F(d)
数论分块
对于:
i=1∑n⌊in⌋
由于 ⌊in⌋ 随着i 增大,会变化非常慢,会一大段一大段保持不变。
假设这一段从 i 开始,则在 ⌊⌊n/i⌋n⌋ 结束
容斥视角:统计互素数对
求 1≤i≤n,1≤j≤n,满足 gcd(i,j)=1 的 (i,j) 个数。
设:
F(d)=#{(i,j):d∣gcd(i,j)}=⌊dn⌋2
我们要求:
f(d)=#{(i,j):gcd(i,j)=1}
则:
f(1)=d=1∑nμ(d)F(d)=d=1∑nμ(d)⌊dn⌋2
(d 从 1→n 的原因是任意 d 均有 1∣d)
其中最后的式子我们可以用整除分块来处理。
可以看出,莫比乌斯反演是容斥原理在数论函数上的表达,而μ函数就是容斥系数。