洛谷P1892 莫比乌斯反演,套路处理技巧

这篇博客介绍了如何高效计算两个数的最小公倍数(LCM)的求和问题。通过转换为最大公约数(GCD)并利用莫比乌斯函数的性质,将问题简化为整除问题。文章详细阐述了如何通过数论技巧,如整除分块和线性筛,来实现O(n)的时间复杂度解决方案,涉及到了计算数学和算法设计的知识。

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题意:

给出n,mn,mn,m,计算
∑i=1n∑j=1mlcm(i,j) \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m} lcm(i,j) i=1nj=1mlcm(i,j)

Solution:

lcmlcmlcm不好处理转化为gcdgcdgcd,有
∑i=1n∑j=1mijgcd(i,j) \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}\frac{ij}{gcd(i,j)} i=1nj=1mgcd(i,j)ij
优先枚举因子gcdgcdgcd,这样可以转化成整除问题
∑d=1n∑i=1n∑j=1m[gcd(i,j)=d]ijd \sum_{d=1}^{n}\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}[gcd(i,j)=d]\frac{ij}{d} d=1ni=1nj=1m[gcd(i,j)=d]dij
利用gcd(i,j)=d⇒gcd(id,jd)=1gcd(i,j)=d\Rightarrow gcd(\frac{i}{d},\frac{j}{d})=1gcd(i,j)=dgcd(di,dj)=1,枚举右式的id,jd\frac{i}{d},\frac{j}{d}di,dj作为新的i,ji,ji,j
∑d=1n∑i=1⌊nd⌋∑j=1⌊md⌋[gcd(i,j)=1]id⋅jdd=∑d=1n∑i=1⌊nd⌋∑j=1⌊md⌋[gcd(i,j)=1]ijd \sum_{d=1}^{n}\sum_{i=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{m}{d}\rfloor}[gcd(i,j)=1]\frac{id\cdot jd}{d}=\sum_{d=1}^{n}\sum_{i=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{m}{d}\rfloor}[gcd(i,j)=1]ijd d=1ni=1dnj=1dm[gcd(i,j)=1]didjd=d=1ni=1dnj=1dm[gcd(i,j)=1]ijd
ddd提出
∑d=1nd∑i=1⌊nd⌋∑j=1⌊md⌋[gcd(i,j)=1]ij \sum_{d=1}^{n}d\sum_{i=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{m}{d}\rfloor}[gcd(i,j)=1]ij d=1ndi=1dnj=1dm[gcd(i,j)=1]ij
莫比乌斯函数的性质∑d∣nμ(d)=[n=1]\sum_{d|n} \mu(d)=[n=1]dnμ(d)=[n=1],可以将布尔表达式转化为整除,于是即求
∑d=1nd∑i=1⌊nd⌋∑j=1⌊md⌋ij∑t∣gcd(i,j)μ(t) \sum_{d=1}^{n}d\sum_{i=1}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac{m}{d}\rfloor}ij\sum_{t|gcd(i,j)}\mu(t) d=1ndi=1dnj=1dmijtgcd(i,j)μ(t)
再次优先枚举因子ttt,此时知道因子,只需找因子的所有倍数的和,倍数有
t,2t,3t,.... t,2t,3t,.... t,2t,3t,....
那么对于nnn,小于nnn的倍数有⌊nt⌋\lfloor\frac{n}{t}\rfloortn个,求和即为
t(1+2+3+...+⌊nd⌋) t(1+2+3+...+\lfloor\frac{n}{d}\rfloor) t(1+2+3+...+dn⌋)
sum(i)=1+2+...+i=(1+i)(i)2sum(i)=1+2+...+i=\frac{(1+i)(i)}{2}sum(i)=1+2+...+i=2(1+i)(i),那么原式可以写作
∑d=1nd∑tmin{⌊nd⌋,⌊md⌋}t2μ(t)sum(⌊nd⌋t)sum(⌊md⌋t) \sum_{d=1}^{n}d\sum_{t}^{min\{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor,\lfloor\frac{m}{d}\rfloor\}}t^2\mu(t) sum(\frac{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}{t})sum(\frac{\lfloor\frac{m}{d}\rfloor}{t}) d=1ndtmin{⌊dn,dm⌋}t2μ(t)sum(tdn)sum(tdm)
在题目内,可以交换n,mn,mn,m,那么不妨假设n≤mn\leq mnm,即求
∑d=1nd∑t⌊nd⌋t2μ(t)sum(⌊ndt⌋)sum(⌊mdt⌋) \sum_{d=1}^{n}d\sum_{t}^{\lfloor\frac{n}{d}\rfloor}t^2\mu(t) sum(\lfloor\frac{n}{dt}\rfloor)sum(\lfloor\frac{m}{dt}\rfloor) d=1ndtdnt2μ(t)sum(⌊dtn⌋)sum(⌊dtm⌋)
枚举T=dtT=dtT=dt,由于此时tttTTT的一个因子,此时枚举dddTTT的因子,地位相当于上式的ttt
∑T=1nsum(⌊nT⌋)sum(⌊mT⌋)T∑d∣Tdμ(d) \sum_{T=1}^{n}sum(\lfloor\frac{n}{T}\rfloor)sum(\lfloor\frac{m}{T}\rfloor)T\sum_{d|T}d\mu(d) T=1nsum(⌊Tn⌋)sum(⌊Tm⌋)TdTdμ(d)
其中sum(⌊nT⌋)sum(⌊mT⌋)sum(\lfloor\frac{n}{T}\rfloor)sum(\lfloor\frac{m}{T}\rfloor)sum(⌊Tn⌋)sum(⌊Tm⌋)可以整除分块解决,此时的整除分块应该保证⌊nT⌋\lfloor\frac{n}{T}\rfloorTn⌊mT⌋\lfloor\frac{m}{T}\rfloorTm都在这个范围是不变的,所以rrr端点需要两次结果取小,剩下只需要快速求得
f(T)=∑d∣Tdμ(d) f(T)=\sum_{d|T}d\mu(d) f(T)=dTdμ(d)
一般数论函数都是积性的,所以我们考虑给一个求出来的f(T)f(T)f(T)TTT添加一个质因子ppp

  • 如果TTT含有ppp,由于当一个数nnn出现了质因子的平方的时候,μ(n)=0\mu(n)=0μ(n)=0,所以这个p,Tp,Tp,T的分解方式不能给μ(Tp)\mu(Tp)μ(Tp)带来贡献,所以f(Tp)=f(T)f(Tp)=f(T)f(Tp)=f(T)

  • 如果TTT不含有ppp,由于积性函数,f(Tp)=f(T)f(p)f(Tp)=f(T)f(p)f(Tp)=f(T)f(p)

这样就可以线性筛出所有的f(T)f(T)f(T),只需要对Tf(T)Tf(T)Tf(T)做前缀和即可

设一个质因子为ppp,由于μ(p)=1−1=0\mu(p)=1-1=0μ(p)=11=0,于是设定f(p)=μ(p)f(p)=\mu(p)f(p)=μ(p)时即筛μ(i)\mu(i)μ(i),上述方法只是一个筛μ(i)\mu(i)μ(i)的改动版

总时间复杂度O(n)O(n)O(n)

// #include<bits/stdc++.h>
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cmath>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<vector>
#include<bitset>
#include<map>
using namespace std;

using ll=long long;
const int N=1e7+5,inf=0x3fffffff;
const long long INF=0x3fffffffffffffff,mod=20101009;

bool nt[N];
int prime[N],cnt;
ll n,m,ans,f[N],sum[N];

void make_prime()
{
    f[1]=1;
    for(int i=2;i<=n;i++)
    {
        if(!nt[i]) prime[++cnt]=i,f[i]=((1-i)%mod+mod)%mod;
        for(int j=1;j<=cnt&&i*prime[j]<=n;j++)
        {
            nt[i*prime[j]]=true;
            if(i%prime[j]==0) 
            {
                f[i*prime[j]]=f[i];
                break;
            }
            else f[i*prime[j]]=f[i]*f[prime[j]]%mod;
        }
    }
    for(int i=1;i<=n;i++) f[i]=(f[i-1]+1ll*i*f[i]%mod)%mod;
    for(int i=1;i<=m;i++) sum[i]=(sum[i-1]+i)%mod;
}

ll query(ll l,ll r){
    return ((f[r]-f[l-1])%mod+mod)%mod;
}

int main()
{
    cin>>n>>m;
    if(n>m) swap(n,m);
    make_prime();
    for(ll l=1,r,val;l<=n;l=r+1)
    {
        val=n/l; r=val?min(n/val,n):n;
        val=m/l; r=min(r,val?min(m/val,m):m);
        ans=(ans+sum[n/l]*sum[m/l]%mod*query(l,r)%mod)%mod;
    }
    cout<<ans;
    return 0;
}
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