数论专题——Dirichlet卷积及积性函数进阶

前置知识

Dirichlet卷积初步

前言

本章节默认 n = i = 1 t p i k i n=\prod_{i=1}^{t}p_i^{k_i}

一、欧拉函数

1. 1. 通项公式
φ ( n ) = i = 1 t ( p i 1 ) p i k i 1 = i = 1 t ( 1 1 p i ) p i k i = n i = 1 t ( 1 1 p i ) \varphi(n)=\prod_{i=1}^{t}(p_i-1)p_i^{k_i-1}=\prod_{i=1}^{t}(1-\frac{1}{pi})p_i^{k_i}=n\prod_{i=1}^{t}(1-\frac{1}{pi})
证明可以在百度百科中搜到,这里略过。证明

2. 2. 欧拉定理降幂

欧拉定理
a p 1 1 ( m o d    p ) p a^{p-1}\equiv1(mod\space \space p)\qquad p为质数
证明:
引理: m a n a 0 ( m o d    p ) g c d ( a , p ) = 1 ( m n ) p 若ma-na \equiv 0(mod\space \space p)且gcd(a,p)=1,则(m-n)为p的倍数

那么 a , 2 a , 3 a , . . . , ( p 1 ) a % p a,2a,3a,...,(p-1)a\%p 的余数必定各不相同,分别为 1 , 2 , 3 , . . . , ( p 1 ) 1,2,3,...,(p-1) ,( a a 不为 p p 的倍数)
全部相乘,得
( p 1 ) ! a p 1 ( p 1 ) ! ( m o d    p ) (p-1)!a^{p-1}\equiv(p-1)!(mod\space\space p)
a p 1 1 ( m o d    p ) a^{p-1}\equiv1(mod\space \space p)
广义欧拉定理
a φ ( p ) 1 ( m o d    p ) g c d ( a , p ) = 1 a^{\varphi(p)}\equiv1(mod\space \space p)\qquad gcd(a,p)=1
证明:
1 ( p 1 ) 1-(p-1) 中与 p p 互质的数为 x 1 , x 2 , . . . , x n x_1,x_2,...,x_n ,那么 x 1 a , x 2 a , . . . , x n a % p x_1a,x_2a,...,x_na\%p 的余数也各不相同,且为 x 1 , x 2 , . . . , x n x_1,x_2,...,x_n ,证明方式与上面同理。

应用:在快速幂中指数过大,如求 a b c % p ( p ) a^{b^c}\%p\qquad(p为质数) ( a , b , c < = 1 0 12 ) (a,b,c<=10^{12}) 就可以

long long quickpow(long long a,long long b,long long Mod)
int main(){
    int a,b,c,p;
    scanf("%lld%lld%lld%lld",&a,&b,&c,&p);
    printf("%lld\n",quickpow(a,quickpow(b,c,p-1),p);
}

3. I d = φ I 3.Id=\varphi*I

4. φ = μ I d 4.\varphi=\mu*Id

3 , 4 3,4 的证明方法见Dirichlet卷积初步

5. n i 1 [ g c d ( i , n ) = 1 ] × i = n × φ ( n ) + [ n = 1 ] 2 5.\sum_{n}^{i-1}[gcd(i,n)=1]\times i=\frac{n\times\varphi(n)+[n=1]}{2}

证明:当 n = 1 n=1 时,易证等式成立

n 1 n\not =1 时,因为 g c d ( i , n ) = g c d ( n i , n ) gcd(i,n)=gcd(n-i,n) ,所以所有的 i i 必成对出现,一共有 φ ( n ) 2 \frac{\varphi(n)}{2}对 ,所以和为 n × φ ( n ) 2 \frac{n\times\varphi(n)}{2}

6. φ ( i j ) = φ ( i ) φ ( j ) g c d ( i , j ) φ ( g c d ( i , j ) ) 6.\varphi(ij)=\frac{\varphi(i)\varphi(j)gcd(i,j)}{\varphi(gcd(i,j))}

证明:由于 φ \varphi 为积性函数,所以我们只需证明满足质数的整数次幂的情况。

i = 1 j = 1 i=1或j=1 时显然成立。

i = p s , j = p t i=p^s,j=p^t ,则
φ ( i ) φ ( j ) g c d ( i , j ) φ ( g c d ( i , j ) ) \frac{\varphi(i)\varphi(j)gcd(i,j)}{\varphi(gcd(i,j))}
= ( p 1 ) 2 p s + t + m i n ( s , t ) 2 ( p 1 ) p m i n ( s , t ) 1 =\frac{(p-1)^2p^{s+t+min(s,t)-2}}{(p-1)p^{min(s,t)-1}}
= ( p 1 ) p s + t 1 =(p-1)p^{s+t-1}
= φ ( p s + t ) = φ ( i j ) =\varphi(p^{s+t})=\varphi(ij)

二、莫比乌斯函数

首先,要明白它的定义式:

对于一个数n, { d n μ ( d ) } = [ n = 1 ] \{\sum_{d|n}\mu(d)\}=[n=1]

n n 不等于 1 1 时, n n 所有因子的莫比乌斯函数值的 0 0

易得, μ ( 1 ) = 1 \mu(1)=1 ,取 n = p k n=p^k p p 为质数, k > 1 k>1 ),由定义式可得:
μ ( n ) = μ ( 1 ) + μ ( p ) + μ ( p 2 ) + . . . + μ ( p k 1 ) = 0 \mu(n)=\mu(1)+\mu(p)+\mu(p^2)+...+\mu(p^{k-1})=0
k = 2 k=2 ,得 μ ( p ) = 1 \mu(p)=-1

然后可以进一步推出对于 k 2 μ ( p k ) = 0 ∀k≥2,\mu(p^k)=0

然后我们就得到了一个结论:当 n n 的一个质因子的次数大于等于 2 2 时, μ ( n ) = 0 \mu(n)=0

由于 μ \mu 函数为积性函数,所以 μ ( i j ) = μ ( i ) μ ( j ) \mu(ij)=\mu(i)\mu(j)

n n 不存在一个质因子的次数大于 2 2 时,我们设 n = i = 1 t p i n=\prod_{i=1}^{t}p_i
μ ( n ) = μ ( p 1 ) × μ ( p 2 ) × . . . × μ ( p t ) = ( 1 ) t \therefore \qquad \mu(n)=\mu(p_1)\times\mu(p_2)\times...\times\mu(p_t)=(-1)^t
综上所述
μ ( n ) = { 0 n ( 1 ) t o t h e r w i s e \mu(n)=\left\{ \begin{aligned} 0\qquad n有平方因子 \\ (-1)^t \qquad otherwise\\ \end{aligned} \right.

void sieve(){  //莫比乌斯函数筛法
	mu[1]=1;
	for(int i=2;i<=n;i++){
		if(!flag[i])  prime[++cnt]=i,mu[i]=-1;
		for(int j=1;j<=cnt&&i*prime[j]<=n;j++){
			flag[i*prime[j]]=1;
			if(i%prime[j]==0)  break;
			mu[i*prime[j]]-=mu[i];
		}
	}
}

三、约数个数函数

一个重要的性质

d ( i j ) = k i l j [ g c d ( k , l ) = 1 ] d(ij)=\sum_{k|i}\sum_{l|j}[gcd(k,l)=1]
证明:

q q i j ij 的一个因子(可以是质因子),设 q = s × p t q=s\times p^t p p 为质数)

i = i × p a , j = j × p b i=i'\times p^a,j=j'\times p^b ,由于 q q i j ij 的一个因子,必有 t a + b t≤a+b

如果 t a t≤a ,就取 k = m × p t k=m\times p^t 以保证 g c d ( k , l ) = 1 gcd(k,l)=1

否则取 k k 满足 g c d ( k , p ) = 1 gcd(k,p)=1 t = n × p t a t=n\times p^{t-a} ,此时 g c d ( k , l ) = 1 gcd(k,l)=1

这样可以保证对于 i j ij 的每一个约数都存在唯一一种分解方案,该性质成立。

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