poj2480 Longge‘s problem

该博客探讨了欧拉函数在计算正整数n的正因数gcd(i,n)之和时的应用。通过性质gcd(i,n)=d↔gcd(id,nd)=1和求解φ(n)的方法,提出了一种O(n)复杂度的解决方案,预处理部分φ(n)并按约数枚举来计算总和。核心思想是将问题转化为求解φ(d)的贡献,从而优化算法效率。

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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=1ngcd(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。

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)=dgcd(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=1ngcd(i,n)=dndφ(dn)

最后注意两点:

1、如何枚举dddO(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)=dgcd(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)=dndφ(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;
}
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