再学莫比乌斯反演

本文回顾了莫比乌斯反演的基本概念,并通过离散数学的角度给出了证明过程。同时,文中还列举了一些常见的数论定理及其应用。

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闲扯

莫比乌斯反演忘得差不多了,导致前几场比赛看到什么计数都像是莫比乌斯,被队友嘲笑了一波,还是学艺不精啊,是时候再学一遍了。
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刚接触这东西的时候我以为他是一类经验总结而来的经验函数,后来发现我真是Too young too simpleToo\ young\ too\ simpleToo young too simple

下面是莫比乌斯反演的定义:::

F(x)=∑d∣xf(d)⇔f(x)=∑d∣xμ(xd)F(d)⇔f(x)=∑d∣xμ(d)F(xd)F(x) = \sum_{d|x}f(d) \Leftrightarrow f(x) = \sum_{d|x}\mu(\frac{x}{d})F(d) \Leftrightarrow f(x) = \sum_{d|x}\mu(d)F(\frac{x}{d})F(x)=dxf(d)f(x)=dxμ(dx)F(d)f(x)=dxμ(d)F(dx)

F(d)=∑d∣xf(x)↔f(d)=∑d∣xμ(xd)F(x)F(d) = \sum_{d|x}f(x) \leftrightarrow f(d) = \sum_{d|x}\mu(\frac{x}{d})F(x)F(d)=dxf(x)f(d)=dxμ(dx)F(x)
μ(d)={1d = 1(−1)rd=p1p2...pr,其中pi为不同的素数0else \mu(d) = \begin{cases} 1 &\text{d = 1}\\ (-1)^r &\text{$d=p_1p_2...p_r,其中p_i为不同的素数$}\\ 0 &\text{else} \end{cases} μ(d)=1(1)r0d = 1d=p1p2...pr,其中pi为不同的素数else

显然可以看出莫比乌斯反演有两种表现形式,第二种形式暂时我也没想到怎么证明。第一种倒是证明的方法有很多,这里从离散数学的角度来给出证明。

对数论函数 fffggg,有f⋈g(n)=∑ij=nf(i)g(j)f\Join g(n) = \sum_{ij=n}f(i)g(j)fg(n)=ij=nf(i)g(j) 称为狄利克雷卷积。

莫比乌斯反演实际上可以看作这样的一个卷积,可以利用上面的卷积形式来给出证明。
在证明之前,我们首先有这些假设,这些假设都可以证明,离散课上都讲过考试也都考过就不细说了(其实是卤煮忘了- -):

  • 狄利克雷卷积是一个交换群。交换群的意思是说满足结合律、交换律、存在单位元和逆元。
  • 单位元 ϵ\ \epsilon ϵf(x)=[x==1]f(x)=[x == 1]f(x)=[x==1]

有了这些假设便可以很方便的证明莫比乌斯反演了。

  • 设函数One(x)=1One(x) = 1One(x)=1
  • 假设现在我们知道F(x)=∑d∣xf(x)F(x)=\sum_{d|x}f(x)F(x)=dxf(x)F=f⋈OneF=f\Join OneF=fOne, 要证明的是其反演的形式,即证明f=F⋈μf=F\Join \muf=Fμ
  • 很容易得μ⋈One=ϵ\mu \Join One = \epsilonμOne=ϵ,也就是说OneOneOneμ\muμ的逆元。那么是不是有F⋈μ=f⋈One⋈μF \Join \mu = f \Join One \Join \muFμ=fOneμ,因为狄利克雷卷积满足交换律和结合律,所以有F⋈μ=f⋈(μ⋈One)=f⋈ϵ=fF \Join \mu = f \Join (\mu \Join One)=f \Join \epsilon = fFμ=f(μOne)=fϵ=f,证毕。
然后

常用的几个数论定理

  • ∑d∣nμ(d)=[n==1]\sum_{d|n}\mu(d) = [n==1]dnμ(d)=[n==1]

  • ∑d∣nϕ(d)=n\sum_{d|n}\phi(d) = ndnϕ(d)=n

  • ∑d∣nμ(d)d=ϕ(n)n\sum_{d|n}\frac{\mu(d)}{d}=\frac{\phi(n)}{n}dndμ(d)=nϕ(n)

  • ab≡aϕ(p)ab%ϕ(p)(mod p)a^b \equiv a^{\phi(p)}a^{b\%\phi(p)}(mod \ p)abaϕ(p)ab%ϕ(p)(mod p)

  • if   p∣n:     ϕ(n∗p)=pϕ(n)else:   ϕ(n∗p)=(p−1)ϕ(n)(p is a prime)if\ \ \ p|n:\ \ \ \ \ \phi(n*p)=p\phi(n)\\else :\ \ \ \phi(n*p)=(p-1)\phi(n) \\ (p \ is \ a\ prime)if   pn:     ϕ(np)=pϕ(n)else:   ϕ(np)=(p1)ϕ(n)(p is a prime)

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