莫比乌斯函数的由来及推导

博客主要对莫比乌斯函数进行推导。在学习狄利克雷卷积后,探讨函数求逆,通过对常见积性函数分析,求出f = I、n为质数时的逆,进而得出莫比乌斯函数。还证明了积性函数的逆也是积性函数,并对相关公式进行了逆推和卷积法证明。

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网上搜莫比乌斯函数大多都没有写莫比乌斯函数的由来,而是直接写的定义式,这里对莫比乌斯函数进行推导。
学习了狄利克雷卷积后,我们来看以下几个常见的积性函数:

常函数:I(n)=1I(n)=1I(n)=1

单位元:ξ(n)=[n=1](ξ∗f=f)\xi(n)=[n=1] (\xi*f=f)ξ(n)=[n=1](ξf=f)

莫比乌斯函数

对于一个数我们可以对其求逆,那么函数是否也可以求逆呢?答案是肯定的。我们看下面式子:

f−1∗f=ξ f^{-1}*f=\xi f1f=ξ

f−1f^{-1}f1即是我们要的fff的逆。

f−1∗f=xif^{-1}*f=xif1f=xi

⇓\Downarrow

∀n:∑d∣nf(d)∗f−1(nd)=[n=1]\forall n:\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})=[n=1]}n:dnf(d)f1(dn)=[n=1]

若n=1

f−1(1)=1f(1)f^{-1}(1)=\frac{1}{f(1)}f1(1)=f(1)1

若n≠1=\not1≠1

f−1(n)∗f(n)=xi(n)f^{-1}(n)*f(n)=xi(n)f1(n)f(n)=xi(n)

f−1(n)∗f(n)=0f^{-1}(n)*f(n)=0f1(n)f(n)=0

∑d∣nf(d)∗f−1(nd)=0\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}=0dnf(d)f1(dn)=0

将d=1从公式中提出来:
f(1)∗f−1(n)+∑d∣nf(d)∗f−1(nd)=0  (d̸=1)f(1)*f^{-1}(n)+\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}=0  (d\not=1)f(1)f1(n)+dnf(d)f1(dn)=0  (d̸=1)

f−1(n)=−∑d∣nf(d)∗f−1(nd)f(1)  (d̸=1)f^{-1}(n)=\frac{-\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}}{f(1)}  (d\not=1)f1(n)=f(1)dnf(d)f1(dn)  (d̸=1)

fff的逆即为这个式子了

那么接下来我们试试把f=If=If=I,n为质数的逆求出来试试:

f−1(p)=−f(p)∗f−1(1)f(1)=−1f^{-1}(p)=\frac{-f(p)*f^{-1}(1)}{f(1)}=-1f1(p)=f(1)f(p)f1(1)=1

看看p2p^2p2:

f−1(p2)=−(f(p2)∗f−1(1)+f(p)∗f−1(p))=0f^{-1}(p^2)=-(f(p^2)*f^{-1}(1)+f(p)*f^{-1}(p))=0f1(p2)=(f(p2)f1(1)+f(p)f1(p))=0

推广到pkp^kpk

f−1(pk)=−∑i=1kf(pi)∗f−1(pk−i)f^{-1}(p^k)=-\sum_{i=1}^{k}{f(p^i)*f^{-1}(p^{k-i})}f1(pk)=i=1kf(pi)f1(pki)

不难看出:当k>1时,f(pk)f(p^k)f(pk)就等于0了

所以对于合数n=p1a1p2a2...pkakn=p_1^{a_1}p_2^{a_2}...p_k^{a^k}n=p1a1p2a2...pkak

f−1(n)=f−1(p1a1)f−1(p2a2)...f−1(pkak)f^{-1}(n)=f^{-1}(p_1^{a_1})f^{-1}(p_2^{a_2})...f^{-1}(p_k^{a_k})f1(n)=f1(p1a1)f1(p2a2)...f1(pkak) (I−1I^{-1}I1 为积性函数)

(积性函数的逆也是积性函数)
证明:
fff为积性函数,有
f(i∗j)=f(i)∗f(j)f(i*j)=f(i)*f(j)f(ij)=f(i)f(j)
f(i∗j)∗f−1(i∗j)=ξf(i*j)*f^{-1}(i*j)=\xif(ij)f1(ij)=ξ
f(i)∗f−1(i)∗f(j)∗f−1(j)=ξf(i)*f^{-1}(i)*f(j)*f^{-1}(j)=\xif(i)f1(i)f(j)f1(j)=ξ
联立得:
f(i∗j)∗f−1(i∗j)=f(i)∗f−1(i)∗f(j)∗f−1(j)f(i*j)*f^{-1}(i*j)=f(i)*f^{-1}(i)*f(j)*f^{-1}(j)f(ij)f1(ij)=f(i)f1(i)f(j)f1(j)
f−1(i∗j)=f−1(i)∗f−1(j)f^{-1}(i*j)=f^{-1}(i)*f^{-1}(j)f1(ij)=f1(i)f1(j)
证毕

如果an>1a_n>1an>1那么f(n)=0f(n)=0f(n)=0

f−1=μ(I−1=μ)f^{-1}=\mu(I^{-1}=\mu)f1=μ(I1=μ),则有:

μ={1   n=1(−1)k   a1=a2=...=ak=10   otherwise \mu = \begin{cases} 1    n=1\\ (-1)^k   a^1=a^2=...=a^k=1\\ 0    otherwise\\ \end{cases}μ=1   n=1(1)k   a1=a2=...=ak=10   otherwise

这个便是我们所知的莫比乌斯函数了。

积性函数的逆也是积性函数。

由我们的推导可知:

μ∗I=ξ ξ∗f=f\mu*I=\xi \xi*f=fμI=ξ ξf=f

f∗I=gf*I=gfI=g

f∗I∗μ=g∗μf*I*\mu=g*\mufIμ=gμ
公式

  • g(n)=∑d∣nf(d) ⇐⇒ f(n)=∑d∣nμ(d)g(nd)g(n)=\sum_{d|n}{f(d)}  \Leftarrow\Rightarrow f(n)=\sum_{d|n}{\mu(d)g(\frac{n}{d})}g(n)=dnf(d)  f(n)=dnμ(d)g(dn)
  • g(n)=∑n∣df(d) ⇐⇒ f(n)=∑n∣dμ(d)g(dn)g(n)=\sum_{n|d}{f(d)}  \Leftarrow\Rightarrow f(n)=\sum_{n|d}{\mu(d)g(\frac{d}{n})}g(n)=ndf(d)  f(n)=ndμ(d)g(nd)

证明
方法一:逆推

  • ∑d∣nμ(d)g(nd)=∑d∣nμ(d)∑x∣ndf(x)=∑x∣nf(x)∑d∣nxμ(d)=∑x∣nf(x)[nx=1]=f(n)\sum_{d|n}{\mu(d)g(\frac{n}{d})}=\sum_{d|n}{\mu(d)\sum_{x|\frac{n}{d}}{f(x)}=\sum_{x|n}{f(x)}\sum_{d|\frac{n}{x}}{\mu(d)}=\sum_{x|n}{f(x)[\frac{n}{x}=1]}}=f(n)dnμ(d)g(dn)=dnμ(d)xdnf(x)=xnf(x)dxnμ(d)=xnf(x)[xn=1]=f(n)

  • 第二个式子同理

方法二:卷积法(因为好多人不知道μ\muμ的性质所以不知道这点)
g=f∗Ig=f*Ig=fI
g∗μ=f∗I∗μg*\mu=f*I*\mugμ=fIμ
g∗μ=f∗ξg*\mu=f*\xigμ=fξ
g∗μ=fg*\mu=fgμ=f
得证

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