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比较厉害的积性函数求和

时间:2024-02-19 13:34:28浏览次数:24  
标签:函数 limits min 积性 dfrac sum 求和 ln gcd

听 zak 讲的,感觉很厉害。

给定一个积性函数 \(S\),可以快速计算 \(S(p^k)\),求 \(\sum\limits_{i=1}^n\sum\limits_{j=1}^mS(ij)\)。

把 \(n,m\) 当作同阶。

我们考虑枚举 \(i,j\) 的 \(\gcd\)。

\(\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}\sum\limits_{i=1}^{n/g}\sum\limits_{j=1}^{m/g}S(ijg^2)[\gcd(i,j)=1]\)。

我们先考虑如何处理 \(S(ijg^2)\)。

我们记 \(H(i)=\dfrac{S(g^2i)}{S(g^2)}\),我们知道它是积性的。

考虑 \(a,b\),满足 \(\gcd(a,b)=1\)。
\(H(a)\times H(b)=\dfrac{S(g^2a)}{S(g^2)}\times \dfrac{S(g^2b)}{S(g^2)}=\dfrac{S(g^2a)S(g^2b)}{S(g^2)^2}\)
又因为对于积性函数,有 \(S(a)\times S(b)=S(\gcd(a,b))\times S(\operatorname{lcm}(a,b))\)。
\(H(a)\times H(b)=\dfrac{S(g^2a)S(g^2b)}{S(g^2)^2}=\dfrac{S(\gcd(g^2a,g^2b))\times S(\operatorname{lcm}(g^2a,g^2b))}{S(g^2)^2}=\dfrac{S(g^2)S(g^2ab)}{S(g^2)^2}=\dfrac{S(g^2ab)}{S(g^2)}=H(ab)\)。

所以我们可以将 \(S(ijg^2)\) 替换成 \(H(ij)S(g^2)\)。

\(\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}\sum\limits_{i=1}^{n/g}\sum\limits_{j=1}^{m/g}H(ij)S(g^2)[\gcd(i,j)=1]\)。

将 \(S(g^2)\) 提出来:\(\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}S(g^2)\sum\limits_{i=1}^{n/g}\sum\limits_{j=1}^{m/g}H(ij)[\gcd(i,j)=1]\)。

因为 \(\gcd(i,j)=1\) 才会做出贡献,所有可以认为 \(H(ij)=H(i)H(j)\)。

然后在进行常规的推式子:

\[\begin{aligned} \text{原式}=&\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}S(g^2)\sum\limits_{i=1}^{n/g}\sum\limits_{j=1}^{m/g}H(i)H(j)[\gcd(i,j)=1]\\ =&\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}S(g^2)\sum\limits_{i=1}^{n/g}\sum\limits_{j=1}^{m/g}H(i)H(j)\sum\limits_{t|i,t|j}\mu(t)\\ =&\sum\limits_{g=1}^{\min(n,m)}S(g^2)\sum\limits_{t=1}^{\min(n,m)/g}\mu(t)\sum\limits_{i=1}^{n/gt}H(it)\sum\limits_{j=1}^{m/gt}H(jt) \end{aligned} \]

现在的问题就是形如所有的 \(t=1,2\dots k\),求出 \(\sum\limits_{i=1}^{n/gt}H(it)\),相当于 \(\sum\limits_{i=1}^{n/g}[t|i]H(i)\),也就是迪利克雷后缀和的形式,使用迪利克雷后缀和,时间复杂度为 \(O(\dfrac{n}{g}\ln\ln n)\)。

我们现在就需要对 \(i=1,2\dots n/g\),求出 \(H(i)\) 的点值。

具体的,我们求出所有 \(i=p^k\) 出的点值即可(其中 \(p\) 为质数)。

也就是要计算 \(\dfrac{S(g^2p^k)}{S(g^2)}\) 的值。

我们讨论 \(p\) 和 \(g\) 的关系:

  • 如果 \(p|g\),设 \(p^i|g\) 且 \(p^{i+1}\nmid g\),则 \(S(g^2p^k)=S(\operatorname{lcm}(g^2,p^{2j+k}))=\dfrac{S(g^2)S(p^{2j+k})}{S(\gcd(g^2,p^{2j+k}))}=\dfrac{S(g^2)S(p^{2j+k})}{S(p^{2j})}\),有 \(H(p^k)=\dfrac{S(p^{2j+k})}{S(p^{2j})}\)。
  • 如果 \(p\nmid g\),则 \(S(g^2p^k)=S(g^2)\times S(p^k)\),有 \(H(p^k)=S(p^k)\)。

发现所有 \(H(p^k)\) 都可以快速计算,然后 \(O(n/g)\) 吧所有点值计算出来即可。

时间复杂度为 \(\sum\limits_{i=1}^{\min(n,m)}O(\dfrac{n}{i}\ln\ln n)=O(n\ln n\ln\ln n)\)。

标签:函数,limits,min,积性,dfrac,sum,求和,ln,gcd
From: https://www.cnblogs.com/Xun-Xiaoyao/p/18020302

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