初等数论入门 Lesson 4 莫比乌斯反演

线性筛求 μ(1…n)

  • μ(1)=1\mu(1)=1
  • ii 是素数:μ(i)=1\mu(i)=-1
  • imodpj=0i\mod p_j=0,即 pj2ip_j^2\mid i,则 μ(ipj)=0\mu(i\cdot p_j)=0
  • 否则:μ(ipj)=μ(i)\mu(i\cdot p_j)=-\mu(i)

基础函数与Dirichlet卷积

  • 单位函数(卷积单位元)

ε(n)={1,n=10,n>1\varepsilon(n)= \begin{cases} 1, & n=1 \\ 0, & n>1 \end{cases}

满足 εf=fε=f\varepsilon * f=f*\varepsilon =f

  • 常值函数 1

1(n)11(n)\equiv 1

故:

(1f)(n)=dnf(d)(1*f)(n)=\sum_{d\mid n}f(d)

μ 与常值函数 1 互逆

dnμ(d)={1,n=10,n>1\sum_{d\mid n}\mu(d)= \begin{cases} 1, & n=1 \\ 0, & n>1 \end{cases}

卷积形式:

μ1=ε=1μ\boxed{\mu * 1=\varepsilon=1*\mu}

证明:

dnμ(d)=r=0k(kr)(1)r=(11)k=0\sum_{d\mid n}\mu(d)=\sum_{r=0}^k\binom k r (-1)^r=(1-1)^k=0

重要性:

定义:

F(n)=(1f)(n)=dnf(d)F(n)=(1*f)(n)=\sum_{d\mid n}f(d)

则:

(μF)(n)=(μ(1f))(n)=((μ1)f)(n)=εf=f(n)(\mu * F)(n)=(\mu * (1*f))(n)=((\mu * 1)*f)(n)=\varepsilon *f=f(n)

本质:

μ\mu 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)=dnf(d)F(n)=\sum_{d\mid n}f(d)

f(n)=dnμ(d)F(nd)\boxed{f(n)=\sum_{d|n}\mu(d)F\left(\frac n d\right)}

倍数型

若:

F(n)=nd,dNf(d)F(n)=\sum_{n\mid d,d\le N}f(d)

则:

f(d)=nd,dNμ(dn)F(d)\boxed{f(d)=\sum_{n\mid d,d\le N}\mu\left(\dfrac d n\right)F(d)}

数论分块

对于:

i=1nni\sum_{i=1}^n\left\lfloor\dfrac n i\right\rfloor

由于 ni\left\lfloor\dfrac n i\right\rfloor 随着ii 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 ii 开始,则在 nn/i\left\lfloor\dfrac n {\lfloor n/i\rfloor}\right\rfloor 结束

容斥视角:统计互素数对

1in,  1jn1\le i\le n,\;1\le j\le n,满足 gcd(i,j)=1\gcd(i,j)=1(i,j)(i,j) 个数。

设:

F(d)=#{(i,j):dgcd(i,j)}=nd2F(d)=\#\{(i,j):d\mid \gcd(i,j)\}=\left\lfloor \dfrac n d\right\rfloor^2

我们要求:

f(d)=#{(i,j):gcd(i,j)=1}f(d)=\#\{(i,j):\gcd(i,j)=1\}

则:

f(1)=d=1nμ(d)F(d)=d=1nμ(d)nd2f(1)=\sum_{d=1}^n\mu(d)F(d)=\sum_{d=1}^n\mu(d)\left\lfloor \dfrac n d\right\rfloor^2

dd1n1\to n 的原因是任意 dd 均有 1d1|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