欧拉函数

之前我们自学欧拉函数的时候,一直都是一脸懵逼的,可能是我智力的问题吧(我就是一个小小的蒟蒻),后来问了一些大佬,然后又不停的查百度才懂的。。。。(有问题,问度娘)
言归正传,现在开始讲欧拉函数:
序:欧拉函数实际上就是求一个数与他互质的数的个数(肯定要小于他自己啦!),我们表示为φ(n)\varphi (n)φ(n)

1.欧拉函数的通用公式就是:φ(n)=n∗(1−1p1)∗(1−1p2)∗...∗(1−1pn)\varphi (n)=n*(1-\frac{1}{p1})*(1-\frac{1}{p2})*...*(1-\frac{1}{pn})φ(n)=n(1p11)(1p21)...(1pn1)【pi为质数】

这个其实是可以理解的,我们已经知道:素数n的phi实际上就是n-1,为什么呢?因为除了他自己,其他比他小的数都与他互质嘛,其实这也是一个质数特性。然而1−1pi1-\frac{1}{pi}1pi1其实就相当于分率,因为我们已知pi就是质数了,而质数的一大堆特性我们都可以搬过来用,pi只有他自己不与他互质,而剩下的就都与他互质啦!所以就是1-1/pi嘛,然后我们将所有的分率乘起来,最后再乘一个n,那么就是φ(n)\varphi(n)φ(n)啦!

介个也可以证明:我们令n=p*q,那么φ(n)=n−nq−np+nq+p\varphi (n)=n-\frac{n}{q}-\frac{n}{p}+\frac{n}{q+p}φ(n)=nqnpn+q+pn
然后你再化简,就会得到φ(n)=n∗(1−1p1)∗(1−1p2)∗...∗(1−1pn)\varphi (n)=n*(1-\frac{1}{p1})*(1-\frac{1}{p2})*...*(1-\frac{1}{pn})φ(n)=n(1p11)(1p21)...(1pn1)

2.φ(n)=n−1\varphi(n)=n-1φ(n)=n1【n为质数】

这个也是很好理解的,我上面已经讲了。

3.接着,我们设n=pkn={p}^kn=pk,也就是说n能分成若干个相同的数相乘,那么我们就开始来研究phi(n)吧!
首先φ(n)=φ(pk)=n−np\varphi(n)=\varphi(p^k)=n-\frac{n}{p}φ(n)=φ(pk)=npn(因为n除了p的倍数,剩下的数都与他互质嘛,例如8=238=2^38=23,8除了2,4,6,8【我们这里暂且包括8,因为后面我们是用8来减得】,剩下的数都与他互质了呀!而p的倍数的个数就是nq\frac{n}{q}qn呀)=pk−pkp=pk−p(k−1)p^k- \frac{p^k}{p}=p^k-p^{(k-1)}pkppk=pkp(k1)

这里,我们两个式子都提取出p(k−1)p^{(k-1)}p(k1),然后就成为p(k−1)∗p−p(k−1)∗1p^{(k-1)}*p-p^{(k-1)}*1p(k1)pp(k1)1,太好了,可以乘法分配律,就是p(k−1)∗(p−1)p^{(k-1)}*(p-1)p(k1)(p1)
这个式子很重要,后面的证明都需要!

4.啊哈,如果你看到这里并且很理解前面的公式的话,那么就恭喜你,你离成功已经很近了!
这里我们设a和b互质,事实证明

φ(a∗b)=φ(a)∗φ(b)\varphi(a*b)=\varphi(a)*\varphi(b)φ(ab)=φ(a)φ(b)

为什么捏?我们令n=p1a1∗p2a2∗....∗pnann=p1^{a1}*p2^{a2}*....*pn^{an}n=p1a1p2a2....pnan【并且pi为质数】
φ(n)=n∗(1−1p1)∗(1−1p2)∗......∗(1−1pn)\varphi(n)=n*(1-\frac{1}{p1})*(1-\frac{1}{p2})*......*(1-\frac{1}{pn})φ(n)=n(1p11)(1p21)......(1pn1)【pi为质数】
∴原式=(p1a1∗p2a2∗....∗pnan)∗(1−1p1)∗(1−1p2)∗......∗(1−1pn)(p1^{a1}*p2^{a2}*....*pn^{an})*(1-\frac{1}{p1})*(1-\frac{1}{p2})*......*(1-\frac{1}{pn})(p1a1p2a2....pnan)(1p11)(1p21)......(1pn1)
=(p1a1∗p2a2∗....∗pnan)∗(p1−1)∗(p2−1)∗......∗(pn−1)/(p1∗p2∗.....∗pn)(p1^{a1}*p2^{a2}*....*pn^{an})*(p1-1)*(p2-1)*......*(pn-1)/(p1*p2*.....*pn)(p1a1p2a2....pnan)(p11)(p21)......(pn1)/(p1p2.....pn)
=[(p1−1)∗p1(a1−1)]∗[(p2−1)∗p2(a2−1)]∗.....∗[(pn−1)∗pn(an−1)][(p1-1)*p1^{(a1-1)}]*[(p2-1)*p2^{(a2-1)}]*.....*[(pn-1)*pn^{(an-1)}][(p11)p1(a11)][(p21)p2(a21)].....[(pn1)pn(an1)]
=φ(p1a1)∗φ(p2a2)∗....∗φ(pnan)\varphi(p1^{a1})*\varphi(p2^{a2})*....*\varphi(pn^{an})φ(p1a1)φ(p2a2)....φ(pnan)【根据上面3的公式】
这样我们就发现φ(p1a1)∗φ(p2a2)∗....∗φ(pnan)=φ(p1a1∗p2a2∗....∗pnan)\varphi(p1^{a1})*\varphi(p2^{a2})*....*\varphi(pn^{an})=\varphi(p1^{a1}*p2^{a2}*....*pn^{an})φ(p1a1)φ(p2a2)....φ(pnan)=φ(p1a1p2a2....pnan)
啊,太有趣了,那么也就是说:当几个数中相互互质的话,那么phi就是积性函数,所以就是上面的φ(a∗b)=φ(a)∗φ(b)\varphi(a*b)=\varphi(a)*\varphi(b)φ(ab)=φ(a)φ(b)【abs(a,b)=1】

5.最后一个公式了,恭喜你啊,你就要成功了!
当a mod b=0时,φ(a∗b)=φ(a)∗b\varphi(a*b)=\varphi(a)*bφ(ab)=φ(a)b
这个很简单就可以证明:由上面所说,b并到其中一个bxb^xbx里面,那么φ(a)=φ(bx)=(b−1)∗b(x−1)\varphi(a)=\varphi(b^x)=(b-1)*b^{(x-1)}φ(a)=φ(bx)=(b1)b(x1)
然后φ(a∗b)=φ(bx∗b)=φ(b(x+1))=(b−1)∗bx\varphi(a*b)=\varphi(b^x*b)=\varphi(b^{(x+1)})=(b-1)*b^xφ(ab)=φ(bxb)=φ(b(x+1))=(b1)bx
(b−1)∗b(x−1)∗b=(b−1)∗bx(b-1)*b^{(x-1)}*b=(b-1)*b^x(b1)b(x1)b=(b1)bx
φ(a)∗b=φ(a∗b)\varphi(a)*b=\varphi(a*b)φ(a)b=φ(ab)

奶思,成功啦,代码就是在线性素数上改一下:

当n为素数时,φ(n)=n−1\varphi(n)=n-1φ(n)=n1
当a和b互质时,φ(a∗b)=φ(a)∗φ(b)\varphi(a*b)=\varphi(a)*\varphi(b)φ(ab)=φ(a)φ(b)
当a mod b=0时,φ(a∗b)=φ(a)∗b\varphi(a*b)=\varphi(a)*bφ(ab)=φ(a)b
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