浅谈积性函数的求和

本文最后更新于:2022年12月26日 下午

Part 0 前置

0. 声明与约定

  • ,表示 在区间 内的和。特殊地,当 时,
  • ,表示 在区间 内的和。此外,始终有

1. 艾佛森括号

艾佛森括号 ,即如果表达式成立就为 ,否则为

2. 数论函数

指定义域为正整数,陪域为复数的函数,主要包括积性函数加性函数

如不加以说明,以下所有“函数”均指数论函数,“数”均指整数或正整数。

3. 函数运算

加法

加法满足以下性质:

  • 交换律:
  • 结合律:

乘法

乘法满足以下性质:

  • 交换律:
  • 结合律:
  • 分配律:
  • 单位元:

狄利克雷卷积

狄利克雷卷积满足以下性质:

  • 交换律:
  • 结合律:
  • 分配律:
  • 单位元:
  • 逆元:如果 ,则称 的狄利克雷逆元,记作 。且

4. 加性函数

满足 的函数 称为加性函数。特别地,当 不互质时 仍然成立的函数 称为完全加性函数

加性函数一般需要唯一分解定理。设 ,则常见的加性函数有:

  • ,表示 的所有质因子数目。(完全加性)
  • ,表示 的不同质因子数目。
  • ,表示 的所有质因子和。(完全加性)
  • ,表示 的不同质因子和。

5. 积性函数

满足 的函数 称为积性函数。特别地,当 不互质时 仍然成立的函数 称为完全积性函数

常见的积性函数有:

  • 单位元函数 。(完全积性)
  • 幂函数 。其中 简记作 简记作 。(完全积性)
  • 约数函数 。其中 简记作 简记作
  • 欧拉函数 ,表示 内与 互质的数的个数。
  • 莫比乌斯函数 。换句话说,设 ,则

积性函数有以下性质:

  1. 如果两个函数是积性函数,那么它们的乘积也是积性函数。
  2. 如果两个函数是积性函数,那么它们的狄利克雷卷积也是积性函数。
  3. 如果两个函数是完全积性函数,那么它们的狄利克雷卷积不一定是完全积性函数(示例: 均为完全积性函数,但 不是完全积性函数)。

6. 狄利克雷卷积结论

  • (莫比乌斯变换/反演)
  • (欧拉变换/反演)
  • (上两个结论的结合)

7. 伪代码约定

  1. 大写衬线粗体 () 表示基本词汇(关键字)。
  2. 小写斜体 () 表示变量。
  3. 小写衬线字体 () 表示数组等支持随机访问下标的数据结构。
  4. 大写衬线字体 () 表示用自然语言描述的过程。
  5. 小写等宽字体 () 表示数组、链表等支持在尾部插入和遍历的数据结构。
  6. 小写无衬线字体 () 表示输入数据。

Part 1 基本函数 (Easy)

实现难度:Past 1

时间复杂度:

空间复杂度:


Part 2 简单前缀和 (Normal)

1. 暴力筛

实现难度:Past 2

要求:

  • 能通过其所有约数快速转移(示例: )。

时间复杂度:

空间复杂度:

优点:

  • 推导简单。

缺点:

  • 速度过慢(大约只能过 级别)。
  • 适用范围小。

2. 埃氏筛

实现难度:Past 3

要求:

  • 能通过其所有质因子快速转移(示例:若 ,则 )。

时间复杂度:

空间复杂度:

优点:

  • 推导简单。

缺点:

  • 速度较慢(大约只能过 级别)。

算法流程

3. 线性筛

实现难度:Present 6

要求:

  • 是积性函数或加性函数。
  • 在质数处能够在低于 的时间里求值。
  • 能够从在一个数处的值快速得到在它与一个质数的乘积处的值。

时间复杂度:

空间复杂度:

优点:

  • 速度较快(大约能过 级别)。

缺点:

  • 推导较麻烦。
  • 仅适用于积性函数和加性函数。
  • 不适用于 很大的情况。

算法流程

算法流程如下:

设置 为质数时的

设置 为质数 的倍数时的

筛法推导

思考以下两个问题:

  1. 在质数 处的值为多少?
  2. 在质数的整数次幂 处的值为多少?

这两个问题恰好对应上面标红的两处。

设第二个问题的答案为

,则显然 。那么 ,即 处的值为

实例

莫比乌斯函数

根据定义就可以直接得出结论。首先,我们知道

为质数 的倍数时,显然 含有 这个因子,所以

与质数 互质时,如果 含有平方因子,那么 也含有平方因子,因此

如果 不含有平方因子,那么 也不含有平方因子,且显然有 。因此

综上,当 与质数 互质时,

但是我们还是考虑用正常流程推导一遍:

1. 在质数 处的值为多少?

根据定义,显然为

2. 在质数的整数次幂 处的值为多少?

根据定义,显然有 ,那么 ,所以

欧拉函数

1. 在质数 处的值为多少?

显然,当 为质数时, 内的每个数都与 互质,所以值为

2. 在质数的整数次幂 处的值为多少?

显然,对于质数 ,含有 因子的数与 不互质, 内含有 因子的数共有 个,所以 。那么显然 ,因此

(待补充……)


浅谈积性函数的求和
https://blog.m256i.ml/sum-of-multiplicative-function/
作者
m256i
发布于
2022年3月12日
更新于
2022年12月26日
许可协议