莫比乌斯反演与容斥原理
说真的 。刚接触莫比乌斯反演的时候我觉得这玩意很神奇。
随着认识的加深。我觉得这玩意跟容斥原理真的好像。
方便理解。来个栗子。。
定义:函数F(a)F(a)有:
F(a)=∑a|df(d)F(a)=∑a|df(d)
定义从所有素数从小到大组成的集合为:
P={P1,P2,P3,...P∞}P={P1,P2,P3,...P∞}
11是不能被任何素数整除的数字。有容斥原理可得:
f(1)=F(1)−∑0<iF(Pi)+∑0<i<jF(PiPj)−∑0<i<j<kF(PiPjPk)...
答案最终有[1,∞][1,∞]上的每一个FF的取值乘以,1或者0或者-1得到。
上面式子解释一下。F(a)对应a的倍数所组成集合对应的ff所有和。
若计算不可以被任何素数整除的集合对应的f,即 f(1)f(1)。应用容斥原理。依次遍历可以被k个素数整除的交错和。
即:
f(1)=∑i≥1aiF(i)f(1)=∑i≥1aiF(i)
显然有:
如果ii中含有平方素因子。则:
ai=0
反之。当:
i=∏k∈setPki=∏k∈setPk
其中,setset为无重复元素的整数集合,则:
ai=(−1)|set|ai=(−1)|set|
定义莫比乌斯函数:
μ(i)=aiμ(i)=ai
我们得到这样一个事实,对于一切算数函数F,fF,f,当:
F(d)=∑d|af(a)F(d)=∑d|af(a)
则有:
f(d)=∑d|aμ(ad)F(a)f(d)=∑d|aμ(ad)F(a)
对于这种无穷形式。我们还有一种较为对称的形式。
即:
F(d)=∑a|df(a)F(d)=∑a|df(a)
则:
f(d)=∑a|dμ(a)F(da)f(d)=∑a|dμ(a)F(da)
这中形式形如一种卷积。
我们先不证明上式的正确性。(直接证明也可以。但不能的到更多的东西。
定义函数卷积运算,即函数A,B,CA,B,C有:
C(n)=∑a∗b=nA(a)B(b)C(n)=∑a∗b=nA(a)B(b)
我们记上述运算为狄利克雷积:
A∗B=CA∗B=C
得到了一个新函数。
这可以看作一个函数运算。
容易有:
(A∗B)∗C=A∗(B∗C)A∗B=B∗A(A∗B)∗C=A∗(B∗C)A∗B=B∗A
上述反演可以定义为:
f∗I=Ff∗I=F
则:
f=F∗μf=F∗μ
其中:
I(n)=1I(n)=1
定义单位元函数ee有:
f∗e=f
显然:
e(n)=[n=1]e(n)=[n=1]
如果:
f=F∗μ=f∗I∗μ=ff=F∗μ=f∗I∗μ=f
则显然:
I∗μ=eI∗μ=e
证明:
f∗I=F 蕴含 F∗μ=ff∗I=F 蕴含 F∗μ=f
只需要证明:
μ∗I=eμ∗I=e
即:
∑a|nμ(a)=[n=1]∑a|nμ(a)=[n=1]
n=1n=1时显然成立。
当n>1n>1时。
记:
n=∏i∈setPxiin=∏i∈setPixi
setset为不含重复元素的nn的素数数集合。
则:
∑a|nμ(a)=∑k=0|set|(−1)k(∣∣set∣∣k)=(1−1)|set|=0
得证。
通常与容斥原理有关的 都会应用到第一个向无穷情况的形式,而这个多数与容斥关系不大。