POI 2007 ZAP - 莫比乌斯反演

LUOGU 3455
Description
FGD正在破解一段密码,他需要回答很多类似的问题:对于给定的整数a,bd,有多少正整数对x,y,满足x<=a,y<=b,并且gcd(x,y)=d。作为FGD的同学,FGD希望得到你的帮助。

Input Format
第一行一个正整数N,表示询问组数。
接下来N行,每行3个正整数a,b,d,含义如题目所示意。

Output Format
对于每个询问输出一行表示答案。

Sample Input

2
4 5 2
6 4 3

Output Format

3
2

Constraints
对于100%的数据,满足1 \leq N \leq 50000,1 \leq d \leq a,b \leq 50000

CCYOS
这是一道莫比乌斯反演的板子题。

  1. 前置技能
符号 含义
a \mid b ab整除
P 质数集合
\omega (n) n的不同质因数个数
\phi (n) [1,n - 1]内与n互质的数的个数显然n和本身不互质
\mu(u) 莫比乌斯函数,详见下文
\epsilon 狄利克雷卷积单位元
1(n) 对于任意n \in N*1(n) = 1,乘法单位元
Id(n) 对于任意n \in N*,Id(n) = n
[P] 命题P成立,[P] = 1;反之为0
概念 含义
数论函数 定义域为全体正整数,值域为复数域子集的函数。
积性函数 gcd(a,b) = 1,则f(a) \times f(b) = f(ab)
完全积性函数 对于任意a,b,都有f(a) \times f(b) = f(ab)
  1. 莫比乌斯函数
    \mu(n) = \begin{cases} 1………… n = 1 \\ (-1)^{\omega(n)} …\forall k_i = 1\\ 0 …………other \end{cases}其中,k_i表示每一个质因数的次数。n = p_1^{k_1}·p_2^{k_2}·……·p_{\omega(n)}^{k_{\omega(n)}}
    一个重要的性质\sum_{d \mid n}\mu(d) = [n = 1]

证明如下:
1)当n = 1时:显然[n = 1] = 1。可枚举的约数d只有1,则原式 = \mu(1) = 1 = [ n = 1]
2) 当\forall k_i = 1时:显然此时n > 0[n = 1] = 0n = p_1^{k_1}·p_2^{k_2}·……·p_{\omega(n)}^{k_{\omega(n)}}则约数d = p_1^{k'_1}·p_2^{k'_2}·……·p_{\omega(n)}^{k'_{\omega(n)}}因为\forall k_i = 1,所以\forall k'_i \in [0,1]。不难看出,枚举n的约数,即枚举取的质因数的乘积即可。根据\mu的定义,有\sum_{d \mid n} \mu(d) = \sum_{i = 1}^{\omega(n)} C_{\omega(n)} ^ {i} · (-1)^i根据二项式定理(x + y)^k = \sum_{i = 0}^{n}C_{n}^{i}·x^iy^{n - i}构造可得\sum_{d \mid n} \mu(d) = \sum_{i = 1}^{\omega(n)} C_{\omega(n)} ^ {i} · (-1)^i·1^{n - i} = (1 - 1)^{\omega(n)} = 0即此时原式恒为0。
3)定义域内(n > 0)其他情况:即在第二种情况上添加add = \sum\mu(d),d|n且\exists k'_i > 1,据定义有add = 0。所以此时原式恒为0。
证毕。

get_mu函数的写法

inline void get_mu(int N){
    miu[1] = 1;//初始化
    for(int i = 2;i <= N;++i){//从2开始
        if(!vis[i])prime[++cnt] = i,miu[i] = -1;//标记质数,质数只有两个约数所以质数的miu值一定是-1
        for(int j = 1;j <= cnt&&prime[j] * i <= N;++j){
            vis[i * prime[j]] = 1;//标记合数
            if(!(i % prime[j]))break;//避免标记到存在ki >= 2的数
            else miu[i * prime[j]] = -miu[i];//多了一个质因数,(-1)^k要取相反
        }
    }
    for(int i = 1;i <= N;++i)sum[i] = sum[i - 1] + miu[i];//前缀和便于计算
}
  1. 狄利克雷卷积
    f*g = \sum_{d \mid n}f(d) · g(\frac{n}{d})满足交换率,结合率,分配律
    两个积性函数的卷积一定是积性函数
  1. \mu * 1 = \epsilon
    单位元\epsilon的是满足 f * e = f的函数,当 e = [n = 1]时,这个条件成立,所以这种定义是满足条件的定义之一。而且很好记。

证明:\mu * 1 = \sum_{d \mid n}\mu(d)·1(\frac{n}{d}) = \sum_{d \mid n}\mu(d) = [n = 1] = \epsilon
证毕

  1. 欧拉函数
    一个重要的性质
    \sum_{d \mid n} \varphi(d) = n

证明:
咕咕咕。不会证。

推论
1)\phi * 1 = Id

证明:
Id(n) = n = \sum_{d \mid n} \phi(d) = \sum_{d \mid n} \phi(d)·1(\frac{n}{d}) = 1 * \phi证毕

2)\phi = Id * \mu

证明:
5.1.推出\phi * 1 * \mu= Id * \mu狄利克雷卷积满足结合律,所以\phi *( 1*\mu) = Id * \mu4.可得\phi * \epsilon = Id * \mu = \phi证毕

  1. 莫比乌斯反演
    f(n) = \sum_{d \mid n}g(d)必然有g(n) = \sum_{d \mid n}f(\frac{n}{d})·\mu(d)假设和结果互换,此仍然为真命题。

证明如下:
构造转化假设,有f(n) = \sum_{d \mid n}g(d)·1(\frac{n}{d}) = g*1
则转为证明:若f = g*1,g = f * \mu
5.2.证明相类似,由假设得到f*\mu = g * (1 * \mu)4.f * \mu = g * \epsilon = g
反之证若g = f * \mu,f = g*1:g * 1 = f * (u * 1) g * 1 = f * \epsilon g * 1 = f证毕

一些常见的推论
1) \sum_{i}\sum_{j}[gcd(i,j) = 1] = \sum_{d}\mu(d)·\lfloor \frac{n}{d} \rfloor · \lfloor \frac{m}{d} \rfloor

证明:
莫比乌斯函数的性质可得[gcd(i,j) = 1] = \sum_{d \mid gcd(i,j)}\mu(d)代入原式可得\sum_{i}\sum_{j}[gcd(i,j) = 1] = \sum_{i}\sum_{j}\sum_{d \mid gcd(i,j)}\mu(d)因为d \mid gcd(i,j),所以d \mid i,d \mid j,故考虑先枚举d,再枚举i,j,可得\sum_{i}\sum_{j}[gcd(i,j) = 1] = \sum_{d}\mu(d)\sum_{i}^{\lfloor \frac{n}{d} \rfloor}\sum_{j}^{\lfloor \frac{m}{d} \rfloor}1把后面一段废话化简得\sum_{i}\sum_{j}[gcd(i,j) = 1] = \sum_{d}\mu(d)·\lfloor \frac{n}{d} \rfloor · \lfloor \frac{m}{d} \rfloor证毕

2) \sum_{i}\sum_{j}[gcd(i,j) = k] = \sum_{d}\mu(d)·\lfloor \frac{n}{kd} \rfloor · \lfloor \frac{m}{kd} \rfloor

证明:
将原式转化为\sum_{i}\sum_{j}[gcd(\frac{i}{k},\frac{j}{k}) = 1]依照6.1.的证明。
证毕

3)\sum_{i}\sum_{j}gcd(i,j) = \sum_{d}\phi(d)·\lfloor \frac{n}{d} \rfloor · \lfloor \frac{m}{d} \rfloor

证明:
5.1可得Id(gcd(i,j)) = \sum_{d \mid gcd(i,j)}\phi(d) · 1(\frac{gcd(i,j)}{d}) =\sum_{d \mid gcd(i,j)}\phi(d)代入原式中可得\sum_{i}\sum_{j}gcd(i,j) = \sum_{i}\sum_{j}\sum_{d \mid gcd(i,j)}\phi(d)依照6.1.证明。
证毕

一般做法
根据题意列出算式。
列出一个可以反演的方程。
反复化简,向\mu函数靠拢。
计算。

小技巧:整除分块
通过观(da)察(biao)发现,在处理\sum_{i}\frac{n}{i}的过程中,会出现很多相同的结果,而且这些结果呈块状分布。进一步观(da)察(biao),会发现对于每一个结果相同的块,当前位置为i,这个块的结束位置为\lfloor \frac{n}{\lfloor \frac{n}{i} \rfloor} \rfloor
那么整除分块的代码就很好写了:

for(int l = 1,r;l <= n;l = r + 1){
  r = n/(n/l);  
  一些操作;
}

在GC的帮助下找到了理解这个问题的另一个思路:LUOGU 1403 感谢!!!

code

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

#define mxn 50005
int N,cnt;
int sum[mxn],prime[mxn],vis[mxn],miu[mxn];

inline int read(){
    int ret = 0,fl = 1;
    char c = getchar();
    for(;!isdigit(c)&&c != '-';c = getchar())if(c == '-')fl = 0;
    for(;isdigit(c);c = getchar())ret = (ret << 3) + (ret << 1) + c - 48;
    return fl ? ret : -ret;
}

inline void get_mu(int N){
    miu[1] = 1;
    for(int i = 2;i <= N;++i){
        if(!vis[i])prime[++cnt] = i,miu[i] = -1;
        for(int j = 1;j <= cnt&&prime[j] * i <= N;++j){
            vis[i * prime[j]] = 1;
            if(!(i % prime[j]))break;
            else miu[i * prime[j]] = -miu[i];
        }
    }
    for(int i = 1;i <= N;++i)sum[i] = sum[i - 1] + miu[i];
}

int main(){
    N = read();
    get_mu(50000);
    for(int i = 1;i <= N;++i){
        int a,b,k;
        long long ans = 0;
        a = read();b = read();k = read();
        int limit = min(a,b);
        for(int l = 1,r;l <= limit;l = r + 1){
            r = min(a/(a/l),b/(b/l));
            ans += 1ll * (a/(l * k)) * (b/(l * k)) * (sum[r] - sum[l - 1]);
        }
        printf("%lld\n",ans);
    }
    return 0;
}

参考文档

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