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本文深入探讨了一种高效的算法,用于求解特定形式的求和问题,即∑i=1nlcm(i,n),通过巧妙地转换为最大公约数(gcd)的求和,最终简化为欧拉函数的计算,实现O(1)查询。

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求:求:
∑i=1nlcm(i,n)\sum_{i=1}^{n}lcm(i,n)i=1nlcm(i,n)

考虑将lcmlcmlcm转化为gcdgcdgcd,原式变成∑i=1ni∗ngcd(i,n)\sum_{i=1}^{n}\frac{i*n}{gcd(i,n)}i=1ngcd(i,n)in

蜜汁变形(iiin−in-ini其实是等价的):
∑i=1n−1i∗ngcd(i,n)+∑i=1n−1(n−i)∗ngcd(n−i,n)2+n\frac{\sum_{i=1}^{n-1}\frac{i*n}{gcd(i,n)}+\sum_{i=1}^{n-1}\frac{(n-i)*n}{gcd(n-i,n)}}{2}+n2i=1n1gcd(i,n)in+i=1n1gcd(ni,n)(ni)n+n

然后发现:gcd(i,n)=gcd(n−i,n)gcd(i,n)=gcd(n-i,n)gcd(i,n)=gcd(ni,n)

那么只需求:
∑i=1n−1n2gcd(i,n)\sum_{i=1}^{n-1}\frac{n^2}{gcd(i,n)}i=1n1gcd(i,n)n2

枚举gcdgcdgcd(设枚举的gcdgcdgcdddd):
∑d∣n∑i=1n−1n2d∗(gcd(i,n)==d)\sum_{d|n}\sum_{i=1}^{n-1}\frac{n^2}{d}*(gcd(i,n)==d)dni=1n1dn2(gcd(i,n)==d)

n2d\frac{n^2}{d}dn2提出来,把d除下去,得到:
∑d∣nn2d∗∑i=1⌊n−1d⌋(gcd(i,nd)==1)\sum_{d|n}\frac{n^2}{d}*\sum_{i=1}^{\lfloor \frac{n-1}{d} \rfloor}(gcd(i,\frac{n}{d})==1)dndn2i=1dn1(gcd(i,dn)==1)

nd\frac{n}{d}dn看做D。(其实nd\frac{n}{d}dn和d是等价的)变成:
n∗∑D∣nD∗∑i=1D−1(gcd(i,D)==1)n*\sum_{D|n}D*\sum_{i=1}^{D-1}(gcd(i,D)==1)nDnDi=1D1(gcd(i,D)==1)

这里可以把⌊n−1d⌋\lfloor \frac{n-1}{d} \rfloordn1看做是D−1D-1D1。那么∑i=1D−1(gcd(i,D)==1)\sum_{i=1}^{D-1}(gcd(i,D)==1)i=1D1(gcd(i,D)==1)就可以理解为小于D的与D互质的数的个数。这就是欧拉函数嘛。于是原式变为:
n∗∑D∣n,D!=1D∗ϕ(D)n*\sum_{D|n,D!=1}D*\phi(D)nDn,D!=1Dϕ(D)

我们发现,只要得到每个数的约数就能算出答案了。但是对于每个数去求一次约数,由于有3e5个询问,时限显然不够。那么可以反过来考虑——考虑每一个数对它倍数的贡献。D!=1D!=1D!=1是因为如果D=1D=1D=1,那么d=nd=nd=n,那么i=ni=ni=n,由于把i=ni=ni=n排除了,所以要排除D=1D=1D=1的情况。

for(int i=1;i<maxn;++i)
		for(int j=2;((j<maxn)&&((i*j)<maxn));++j)
		ans[i*j]+=(ll)j*phi[j];
	for(int i=1;i<maxn;++i) ans[i]=(ll)(ans[i]/2)*i+i;

这里jjj代表的就是刚才的DDD,枚举iii的所有倍数,把答案记在它的倍数上。然后代进之前推的完整的式子,就可以O(1)O(1)O(1)查询了。
下面是完整代码。

#include<bits/stdc++.h>
#define ll long long
using namespace std;
const int maxn=1e6+10;
int phi[maxn],mark[maxn],P[maxn],cnt=0,T,x;
ll ans[maxn];
inline void pre(){
	phi[1]=1;
	for(int i=2;i<=maxn;++i){
		if(!mark[i]) P[++cnt]=i,phi[i]=i-1;
		for(int j=1;((j<=cnt)&&(P[j]*i<maxn));++j){
			mark[P[j]*i]=1;
			if(i%P[j]==0){
				phi[i*P[j]]=phi[i]*P[j];
				break;
			}phi[i*P[j]]=phi[i]*phi[P[j]];
		}
	}
	for(int i=1;i<maxn;++i)
		for(int j=2;((j<maxn)&&((i*j)<maxn));++j)
		ans[i*j]+=(ll)j*phi[j];
	for(int i=1;i<maxn;++i) ans[i]=(ll)(ans[i]/2)*i+i;
}
inline void print(ll x){
	if(x>9) print(x/10);
	putchar(x%10+'0');
}
int main(){
	pre(),scanf("%d",&T);
	while(T--)scanf("%d",&x),print(ans[x]),putchar(10);
}
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