F. Coprime Subsequences(容斥+莫比乌斯)

本文探讨了在给定序列中寻找所有互质子序列数量的问题。通过使用莫比乌斯函数和容斥原理,文章详细阐述了解决方案的算法思路,并提供了完整的代码实现。

题意:

给出一个n个大小的序列,问gcd=1的子序列有多少个

思路:

n个大小总的集合有2^n-1个,那gcd=1的序列=(2 ^n-1)-gcd=2-gcd-3-gcd=5+gcd=6……的容斥,奇加偶减,那前面的正负不就是莫比乌斯函数的u函数嘛。

挖坑:

补几道莫比乌斯的题目

代码:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
typedef pair<ll,ll>pii;
typedef vector<int>vi;

#define rep(i,a,b) for(int i=(a);i<(b);i++)
#define fi first
#define se second
#define de(x) cout<<#x<<"="<<x<<endl
#define per(i,a,b) for(int i=(b)-1;i>=(a);--i)
const int N=1e5+5;
const int mod=1e9+7;
int a[N],prime[N],tot=0;
bool vis[N];
ll fac[N],mu[N];
void init(){
	fac[0]=1;
	rep(i,1,N){
		fac[i]=(fac[i-1]*2)%mod;
		
	}
}
ll num[N];
void mobi(){
	mu[1]=1;
	memset(vis,0,sizeof(vis));
	for(int i=2;i<N;++i){
		if(!vis[i]){
			mu[i]=-1;
			vis[i]=true;
			prime[tot++]=i;
		}
		for(int j=0;j<tot&&prime[j]*i<N;++j){
			vis[i*prime[j]]=1;
			if(i%prime[j]==0)break;
			mu[i*prime[j]]=-mu[i];
		}
	}
}
int main()
{
	init();
	mobi();
	int n;
	scanf("%d",&n);
	rep(i,1,n+1){
		scanf("%d",&a[i]);
		for(int j=1;j*j<=a[i];++j){
			if(a[i]%j==0){
				num[j]++;
				if(j*j!=a[i]){
					num[a[i]/j]++;
				}
			}
		}
	}
	ll ans=fac[n]-1;
	rep(i,2,N){
		ans=(ans+mu[i]*(fac[num[i]]-1))%mod;
	}
	ans=(ans%mod+mod)%mod;
	cout<<ans<<endl;
	return 0;
}
### 使用容斥原理求解最大公约数为k的数对数量 在计算最大公约数为 \( k \) 的数对数量时,可以利用容斥原理来排除不符合条件的数对。以下是详细的推导过程: #### 1. 问题形式化 假设我们要求的是在区间 \([1, n]\) 内,满足 \(\gcd(x, y) = k\) 的数对 \((x, y)\) 的数量。 首先,可以通过将问题转化为等价的形式: \[ \gcd(x, y) = k \iff \gcd\left(\frac{x}{k}, \frac{y}{k}\right) = 1 \] 因此,原问题可以转化为在区间 \([1, \lfloor n/k \rfloor]\) 内寻找互质的数对 \((a, b)\),其中 \( a = x/k \) 和 \( b = y/k \)。 #### 2. 容斥原理的应用 为了计算互质数对的数量,我们可以先计算所有可能的数对数量,然后通过容斥原理排除那些不满足互质条件的数对。 - 设 \( f(d) \) 表示在区间 \([1, m]\) 中,两个数的公约数包含 \( d \) 的数对数量。显然,这样的数对数量为: \[ f(d) = \left\lfloor \frac{m}{d} \right\rfloor^2 \] 其中 \( m = \lfloor n/k \rfloor \)。 - 根据容斥原理,互质数对的数量可以表示为: \[ \text{count}(m) = \sum_{d=1}^{m} \mu(d) \cdot f(d) \] 其中 \( \mu(d) \)莫比乌斯函数[^3],用于区分是否需要加或减对应的 \( f(d) \)。 #### 3. 具体实现 以下是基于上述公式的代码实现: ```python def mobius_function(n): """计算莫比乌斯函数值""" if n == 1: return 1 factors = [] i = 2 while i * i <= n: if n % i == 0: factors.append(i) n //= i if n % i == 0: return 0 # 如果有平方因子,则 μ(n) = 0 i += 1 if n > 1: factors.append(n) return (-1)**len(factors) def count_coprime_pairs(m): """计算 [1, m] 内互质数对的数量""" result = 0 for d in range(1, m + 1): mu_d = mobius_function(d) if mu_d != 0: result += mu_d * (m // d)**2 return result def gcd_k_pairs_count(n, k): """计算 [1, n] 内 gcd(x, y) = k 的数对数量""" if k == 0 or n < k: return 0 m = n // k return count_coprime_pairs(m) # 示例调用 n = 100 k = 5 print(gcd_k_pairs_count(n, k)) ``` #### 4. 解释与引用 - 莫比乌斯函数 \( \mu(d) \) 的定义和性质是关键,它决定了如何通过容斥原理正确地加减数对数量[^3]。 - 在实际计算中,我们只需要枚举所有可能的 \( d \),并根据 \( \mu(d) \) 的值调整对应的 \( f(d) \)[^2]。 ---
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