Label
欧拉函数
Description
给定多个正整数n(1<n<231)n(1<n<2^{31})n(1<n<231),请求出:
∑i=1ngcd(i,n)\sum_{i=1}^{n}gcd(i,n)i=1∑ngcd(i,n)
Solution
由于直接枚举iii暴力求肯定会TLE,故我们不考虑iii的取值对答案的贡献,而是考虑每一种gcd(i,n)gcd(i,n)gcd(i,n)的取值对答案的贡献。
设gcd(i,n)=dgcd(i,n)=dgcd(i,n)=d,那么每一个满足该条件的数iii一定满足如下性质:
gcd(i,n)=d↔gcd(id,nd)=1gcd(i,n)=d\leftrightarrow gcd(\frac{i}{d},\frac{n}{d})=1gcd(i,n)=d↔gcd(di,dn)=1
这样一来,又出现了互质的条件,那么,满足上述条件的iii的个数便为∑i=1n[gcd(id,nd)==1]=φ(⌊nd⌋)\sum_{i=1}^{n}[gcd(\frac{i}{d},\frac{n}{d})==1]=\varphi(\lfloor \frac{n}{d}\rfloor)∑i=1n[gcd(di,dn)==1]=φ(⌊dn⌋)。
所以,ddd对答案的贡献为dφ(⌊nd⌋)d\varphi(\lfloor \frac{n}{d}\rfloor)dφ(⌊dn⌋)。
由于gcd(i,n)=dgcd(i,n)=dgcd(i,n)=d,故所有ddd的取值构成的集合等于nnn的约数集合,所以:
∑i=1ngcd(i,n)=∑d∣ndφ(⌊nd⌋)\sum_{i=1}^{n}gcd(i,n)=\sum_{d|n}d\varphi(\lfloor \frac{n}{d}\rfloor)i=1∑ngcd(i,n)=d∣n∑dφ(⌊dn⌋)
最后注意两点:
1、如何枚举ddd:O(n)O(\sqrt n)O(n)做法枚举nnn的正约数即可。
2、nnn太大:预处理出一部分φ(n)\varphi(n)φ(n),剩下的部分O(n)O(\sqrt n)O(n)单独求。
总体复杂度:看起来是O(n)O(n)O(n)的,但由于我们预处理出相当数量的φ(n)\varphi(n)φ(n)且整数的约数个数远远达不到2n2\sqrt n2n的理论上界,所以复杂度可行。
Summary
两条重要性质:
1、gcd(i,n)=d↔gcd(id,nd)=1gcd(i,n)=d\leftrightarrow gcd(\frac{i}{d},\frac{n}{d})=1gcd(i,n)=d↔gcd(di,dn)=1
2、∑i=1ngcd(i,n)=∑d∣ndφ(⌊nd⌋)\sum_{i=1}^{n}gcd(i,n)=\sum_{d|n}d\varphi(\lfloor \frac{n}{d}\rfloor)∑i=1ngcd(i,n)=∑d∣ndφ(⌊dn⌋)
Code
#include<cstdio>
#include<iostream>
#define ri register int
#define ll long long
using namespace std;
const int MAXN=5e6;
int cnt;
ll N,prime[MAXN>>2],phi[MAXN+20],phia,phib,ans;
bool isprime[MAXN+20];
ll Phi(ll x)//求phi(x)一般用利用容斥原理推出的公式,复杂度O(sqrt(n))
{
register ll phix=x;
for(ll i=2;i*i<=x;++i)
if(x%i==0)
{
phix=phix/i*(i-1);
while(x%i==0) x/=i;
}
if(x>1) phix=phix/x*(x-1);
return phix;
}
void Phi()//O(n)求1~N的欧拉函数
{
isprime[1]=true; phi[1]=1LL;
for(ri i=2;i<=MAXN;++i)
{
if(!isprime[i])
{
prime[++cnt]=(ll)i;
phi[i]=(ll)i-1;
}
for(ri j=1;j<=cnt&&i*(int)prime[j]<=MAXN;++j)
{
isprime[i*(int)prime[j]]=true;
if(i%prime[j]==0) phi[i*(int)prime[j]]=phi[i]*prime[j];
else phi[i*(int)prime[j]]=phi[i]*phi[prime[j]];
if(i%prime[j]==0) break;
}
}
}
int main()
{
Phi();
while(~scanf("%lld",&N))
{
ans=0;
for(ll i=1;i*i<=N;++i)
{
if(N%i==0)
{
if(i<=MAXN) phia=phi[(int)i];
else phia=Phi(i);
if(N/i<=MAXN) phib=phi[(int)(N/i)];
else phib=Phi(N/i);
if(i!=N/i) ans+=N/i*phia+i*phib;
else ans+=i*phia;
}
}
cout<<ans<<'\n';
}
return 0;
}