自己摸索了这么久 感觉是可以总结了(如果不是因为多校我应该不会接触这个吧),这个结论性比较强,我基本把所有需要证明或者是比较隐晦的中间过程都证明了一遍。其实知道怎么用就行了,但是证明过程中的一些技巧值得思考和体会。
设有函数F(x)和f(x),其定义域在正整数范围内,其之间存在着如下给定关系:
F(n)=∑d|nf(d)
F
(
n
)
=
∑
d
|
n
f
(
d
)
这个式子的说明了 F(x)可以由 f(x)表示,但是有时候现实是, F(x)我们其实可以很容易求得,但是 f(x)往往不好求,如果可以逆向,由 F(x)表示 f(x),这就是所谓的反演。
恰好在这种情形下的确是有这种反演。
f(n)=∑d|nμ(nd)F(d)=∑d|nμ(d)F(nd)
f
(
n
)
=
∑
d
|
n
μ
(
n
d
)
F
(
d
)
=
∑
d
|
n
μ
(
d
)
F
(
n
d
)
这两种写法都是一样的,只是加的顺序不一样而已,这里出现了一个μ(d)函数,其定义域也是正整数,接下来介绍一下这个函数。
给出μ(d)的定义:
μ(d)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪1,(−1)k,0,if d =1if d =p1p2p3...pkotherwise
μ
(
d
)
=
{
1
,
if
d
=1
(
−
1
)
k
,
if
d
=
p
1
p
2
p
3
.
.
.
p
k
0
,
otherwise
这便是所谓的莫比乌斯函数。对于这个函数举几个栗子,如μ(7)=-1,7的k为1,μ(6)为1,因为6可以变为2*3,则k为2,μ(4)=0,因为其质因子2的幂大于1,属于otherwise的情况。
先证明这个函数的一个性质(反演的证明会用到):
∑d|nμ(d)={1,0,if n =1if n >1
∑
d
|
n
μ
(
d
)
=
{
1
,
if
n
=1
0
,
if
n
>1
证明:
由唯一分解定理得可以把
n=pa11pa22pa33pa44...pakk
n
=
p
1
a
1
p
2
a
2
p
3
a
3
p
4
a
4
.
.
.
p
k
a
k
因为只要 ak a k 大于1的d的μ(d)为0,对于式子没有贡献,所以,我们只要从 p1 p 1 到 pk p k 的组合找除数,如只有一个质因子有多少个数,两个质因子有多少个,等等,因为质因子个数与 μ(d) μ ( d ) 的取值有关,即正负1(由上面的莫比乌斯的函数的定义知道)那么有:
∑d|nμ(d)=C0k−C1k+C2k+...+(−1)kCkk=∑i=0k(−1)iCik
∑
d
|
n
μ
(
d
)
=
C
k
0
−
C
k
1
+
C
k
2
+
.
.
.
+
(
−
1
)
k
C
k
k
=
∑
i
=
0
k
(
−
1
)
i
C
k
i
所以只要证明 ∑ki=0(−1)iCik=0 ∑ i = 0 k ( − 1 ) i C k i = 0
又二项式定理得:
(x+y)n=∑i=0nCinxiyn−i
(
x
+
y
)
n
=
∑
i
=
0
n
C
n
i
x
i
y
n
−
i
把 x=−1,y=1 x = − 1 , y = 1 带入得证
最后最重要的是证明 f(n)=∑d|nμ(nd)F(d)=∑d|nμ(d)F(nd) f ( n ) = ∑ d | n μ ( n d ) F ( d ) = ∑ d | n μ ( d ) F ( n d )
证明:
由文章开头式子的定义的运用可得
∑d|nμ(d)F(nd)=∑d|nμ(d)∑k|ndf(k)
∑
d
|
n
μ
(
d
)
F
(
n
d
)
=
∑
d
|
n
μ
(
d
)
∑
k
|
n
d
f
(
k
)
又
∑d|nμ(d)∑k|ndf(k)=∑k|nf(k)∑d|nkμ(d)
∑
d
|
n
μ
(
d
)
∑
k
|
n
d
f
(
k
)
=
∑
k
|
n
f
(
k
)
∑
d
|
n
k
μ
(
d
)
这里我觉得需要详细证明一下,但是查了许多资料都没有相关证明,所以就自己想了一个证明了方案,是不是太浅显了呢,本质上就是枚举角度的转变。
这部最大转换在于从枚举d转向枚举k,如 ∑d|nμ(d)∑k|ndf(k) ∑ d | n μ ( d ) ∑ k | n d f ( k ) ,只有当我们确定了d值时,我才能去枚举内嵌的第二个和式。
又
∑d|nμ(d)∑k|ndf(k)=∑k|n∑d|nkf(k)μ(d)
∑
d
|
n
μ
(
d
)
∑
k
|
n
d
f
(
k
)
=
∑
k
|
n
∑
d
|
n
k
f
(
k
)
μ
(
d
)
易知在和式里每一项的 f(k)μ(d) f ( k ) μ ( d ) 的系数都为1,所以实质上,我们只要证明
若d|n,k|nd,那么有μ(d)f(k)则μ(k)f(d)也一定存在
若
d
|
n
,
k
|
n
d
,
那
么
有
μ
(
d
)
f
(
k
)
则
μ
(
k
)
f
(
d
)
也
一
定
存
在
我们先证明 μ(k) μ ( k ) 存在,由传递性
k|nd⇒k|n
k
|
n
d
⇒
k
|
n
所有一定存在 μ(k) μ ( k )
证f(d),因为
d|n⇒dm=n⇒m|n
d
|
n
⇒
d
m
=
n
⇒
m
|
n
现在假设枚举到了 μ(m) μ ( m ) ,则第二和式为 ∑k|nmf(k) ∑ k | n m f ( k )
因为 nm=d n m = d ,所有k一定可以取到d值,所以 f(d) f ( d ) 一定存在
得证
也因此同时我们发现这个和式非常对称
∑d|nμ(d)∑k|ndf(k)=∑k|nf(k)∑d|nkμ(d)
∑
d
|
n
μ
(
d
)
∑
k
|
n
d
f
(
k
)
=
∑
k
|
n
f
(
k
)
∑
d
|
n
k
μ
(
d
)
由之前证明的莫比乌斯函数的性质,若
nk>1
n
k
>
1
,则
∑d|nkμ(d)=0
∑
d
|
n
k
μ
(
d
)
=
0
,所以只有当k=n为1,
那么
∑k|nf(k)∑d|nkμ(d)=f(n)
∑
k
|
n
f
(
k
)
∑
d
|
n
k
μ
(
d
)
=
f
(
n
)
所以
f(n)=∑d|nμ(d)∑k|ndf(k)=∑k|nf(k)∑d|nkμ(d)=f(n)
f
(
n
)
=
∑
d
|
n
μ
(
d
)
∑
k
|
n
d
f
(
k
)
=
∑
k
|
n
f
(
k
)
∑
d
|
n
k
μ
(
d
)
=
f
(
n
)
证毕
莫比乌斯反演的第二种形式(题目中运用的最多)是
若
F(n)=∑n|df(d)
F
(
n
)
=
∑
n
|
d
f
(
d
)
则
f(n)=∑n|dμ(dn)F(d)
f
(
n
)
=
∑
n
|
d
μ
(
d
n
)
F
(
d
)
证明过程类似:
f(n)=∑n|dμ(dn)∑d|kf(k)=∑n|kf(k)∑d|knμ(d)
f
(
n
)
=
∑
n
|
d
μ
(
d
n
)
∑
d
|
k
f
(
k
)
=
∑
n
|
k
f
(
k
)
∑
d
|
k
n
μ
(
d
)
所以也是当k取到n时,才不为0,得证
本文详细介绍了莫比乌斯反演的概念及其证明过程,包括莫比乌斯函数的定义与性质,以及如何通过反演公式实现函数之间的转换。

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