Möbius

莫比乌斯函数

定义

n=p1k1p2k2pmkmn = p_1^{k_1}\cdot{}p_2^{k_2}\cdot\cdots\cdot{}p_m^{k_m}, 其中 pip_i 为素数,则

μ(n)={1n=1(1)mi=1mki=10otherwise\mu(n) = \left\{ \begin{array}{ll} 1 & n = 1 \\ (-1)^m & \prod_{i=1}^{m}{k_i} = 1 \\ 0 & \text{otherwise} \end{array} \right.

上述式子第二行的条件即每个素因子的次数都为 11, 易知有平方因子的数的莫比乌斯函数值为 00.

性质

性质一

莫比乌斯函数是积性函数.

μ(a)μ(b)=μ(ab),ab\mu(a)\mu(b) = \mu(a\cdot{b}), \quad a \bot b

其中 aba \bot b 表示 gcd(a,b)=1\gcd(a,b) = 1,即 a,ba, b 互质.

性质二

dnμ(d)=[n=1]\sum_{d|n}{\mu(d)} = [n = 1]

其中 [n=1][n = 1] 表示当 n=1n = 1 时为 11,否则为 00.

性质三

dnμ(d)d=φ(n)n\sum_{d|n}{\mu(d) \over d} = \frac{\varphi(n)}{n}

线性筛

(此代码待整理)

void sieve() {
    fill(isPrime, isPrime + maxn, 1);
    mu[1] = 1, num = 0;
    for (int i = 2; i < maxn; ++i) {
        if (isPrime[i]) primes[num++] = i, mu[i] = -1;
        static int d;
        for (int j = 0; j < num && (d = i * primes[j]) < maxn; ++j) {
            isPrime[d] = false;
            if (i % primes[j] == 0) {
                mu[d] = 0;
                break;
            } else mu[d] = -mu[i];
        }
    }
}
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莫比乌斯反演

定理

如果对于数论函数 F(n)F(n)f(n)f(n),有

F(n)=dnf(d)F(n) = \sum_{d|n}{f(d)}

那么

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

证明

dnμ(d)F(nd)=dn[μ(d)indf(i)]\sum_{d|n}{\mu(d)F\left({n \over d}\right)} = \sum_{d|n}{\left[\mu(d)\sum_{i|\frac{n}{d}}{f(i)}\right]}

其中 ddnn 的因子,iinndd 以外的因子, 于是上式也等于

dn[f(d)indμ(i)]=性质2f(n)\sum_{d|n}{\left[f(d)\sum_{i|\frac{n}{d}}{\mu(i)}\right]} \xlongequal{\text{性质2}} f(n)

由性质2,当且仅当 n/d=1n/d = 1 时关于 μ\mu 的和式不为零.

另一种表述

F(n)=ndf(d)f(n)=ndμ(dn)F(d)F(n) = \sum_{n|d}{f(d)} \Rightarrow f(n) = \sum_{n|d}{\mu\left(d \over n\right)F(d)}

变形

f(i)=d=1nig(di)g(i)=d=1niμ(d)f(di)f(i) = \sum_{d=1}^{\left\lfloor\frac{n}{i}\right\rfloor}{g(d\cdot{}i)} \Rightarrow g(i) = \sum_{d=1}^{\left\lfloor\frac{n}{i}\right\rfloor}{\mu(d)f(d\cdot{i})}

应用

其他技巧

如果 d(n)d(n)nn 的约数个数,则

d(nm)=injm[gcd(i,j)=1]d(nm) = \sum_{i|n}\sum_{j|m}[\gcd(i,j) = 1]

Last Updated: 8/18/2018, 2:32:44 PM