数论-莫比乌斯反演

(数论-莫比乌斯反演)

小学生一发

一篇比较数学的博客,最近在学习莫比乌斯反演,这是数论上比较重要的一个定理,平时刷数论的题目也比较容易遇到,所以还是书此文来加深一下印象。

莫比乌斯反演的引入

考虑如下求和函数:
F(n)=∑d∣nf(d)F(n)=\displaystyle\sum_{d|n}f(d)F(n)=dnf(d)
我们有如下结论:
f(n)=∑d∣nμ(d)F(nd)f(n)=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(d)F(\frac{n}{d})f(n)=dnμ(d)F(dn)
μ(x)\mu(x)μ(x)的定义如下:
x=1x=1x=1时,μ(x)=1\mu(x)=1μ(x)=1, 当x=p1p2p3…pnx=p_1p_2p_3\dots p_nx=p1p2p3pn (ppp为不同的质数,且次数都为1),μ(x)=(−1)n\mu(x)=(-1)^nμ(x)=(1)n, 其余情况μ(x)=0\mu(x)=0μ(x)=0, μ(x)\mu(x)μ(x)为积性函数.
积性函数定义为:
积性函数:对于任意互质的整数aaabbb有性质$f(ab)=f(a)f(b)的数论函数。(证明比较简单就不说了)

莫比乌斯反演定理

f(n)f(n)f(n)g(n)g(n)g(n)是定义在正整数集合上的两个函数,定义如下:
f(n)=∑d∣ng(d)=∑d∣ng(nd)f(n)=\displaystyle\sum_{d|n} g(d)=\displaystyle\sum_{d|n} g(\frac{n}{d})f(n)=dng(d)=dng(dn)
g(n)=∑d∣nμ(d)f(nd)=∑d∣nμ(nd)f(d)g(n)=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(d)f(\frac{n}{d})=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(\frac{n}{d})f(d)g(n)=dnμ(d)f(dn)=dnμ(dn)f(d)
f(n)=g(n)f(n)=g(n)f(n)=g(n).

莫比乌斯反演定理证明

充分性证明:
f(n)=∑d∣ng(d)=∑d∣ng(nd)f(n)=\displaystyle\sum_{d|n} g(d)=\displaystyle\sum_{d|n} g(\frac{n}{d})f(n)=dng(d)=dng(dn)
∑d∣nμ(d)f(nd)=∑d∣nμ(d)∑d1∣ndg(d1)\displaystyle\sum_{d|n}\mu(d)f(\frac{n}{d})=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(d)\displaystyle\sum_{d1|\frac{n}{d}}g(d_1)dnμ(d)f(dn)=dnμ(d)d1dng(d1)
∑d∣n∑d1∣(nd)μ(d)g(d1)\displaystyle\sum_{d|n} \displaystyle\sum_{d_1|(\frac{n}{d})} \mu(d)g(d_1)dnd1(dn)μ(d)g(d1)
∑d1∣n∑d∣nd1μ(d)g(d1)=∑d1∣ng(d1)∑d∣nd1μ(d)=g(n)\displaystyle\sum_{d_1|n} \displaystyle\sum_{d|\frac{n}{d_1}} \mu(d)g(d_1)=\displaystyle\sum_{d_1|n} g(d_1) \displaystyle\sum_{d|\frac{n}{d_1}} \mu(d)=g(n)d1ndd1nμ(d)g(d1)=d1ng(d1)dd1nμ(d)=g(n)

考虑到:
∑d∣nd1μ(d)=(1,d1=n0,d1<n)\displaystyle\sum_{d|\frac{n}{d_1}} \mu(d)=\binom{1,d_1=n}{0,d_1<n}dd1nμ(d)=(0,d1<n1,d1=n)
因此
f(n)=∑d∣ng(d)=∑d∣ng(nd)f(n)=\displaystyle\sum_{d|n} g(d)=\displaystyle\sum_{d|n} g(\frac{n}{d})f(n)=dng(d)=dng(dn)
g(n)=∑d∣nμ(d)f(nd)=∑d∣nμ(nd)f(d)g(n)=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(d)f(\frac{n}{d})=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(\frac{n}{d}) f(d)g(n)=dnμ(d)f(dn)=dnμ(dn)f(d)

必要性证明同理;

莫比乌斯反演的性质

  1. f(n)=∑d∣nμ(d)F(nd)f(n)=\displaystyle\sum_{d|n} \mu(d)F(\frac{n}{d})f(n)=dnμ(d)F(dn)
  2. μ(n)\mu(n)μ(n)是积性函数
  3. fff是算术函数,它的和函数F(n)=∑d∣nf(d)F(n)=\displaystyle\sum_{d|n} f(d)F(n)=dnf(d)是积性函数,那么fff也是积性函数

新的开始,每天都要快乐哈。
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