欧拉筛法与积性函数

线性筛

欧拉筛本质上是在对每一个数找到它最小的质因数,然后把它筛除,复杂度 O(n)
本文中所有的 p 都表示一个质数。

PROOF
From the code below we have that pja .
Let n=apk (k>jpk>pj) .
pja ,记 a=bpj .
n=(bpj)pk=pj(bpk) .
pjn (pk>pjbpk>pj)
Q.E.D.

#include <cstdio>
#define R register
const int MaxN = 1000000
bool vis[MaxN];
int P[MaxN], tot;
int main()
{
    for(R int i = 2; i <= MaxN; i++)
    {
        if(!vis[i]) P[++tot] = i, phi[i] = P[tot] - 1;
        for(R int j = 1; j <= tot && P[j] * i <= MaxN; j++)
        {
            vis[i * P[j]] = 1;
            if(i % P[j] == 0) break;
        }
    }
    return 0;
}

欧拉函数 φ

1...n 中与 n 互质的整数个数。
欧拉函数:

φ(n)=npn(11p)

Euler Theorem aφ(n)1(mod n) , if (a,n)=1 .

Theorem 1 dnφ(d)=n .

PROOF
Let n=pc11pc22...pcmm .
dnφ(d)=dnφ(pk11pk22...pkmm),(0kici) .
φ(pciipcjj)=φ(pcii)φ(pcjj) .
dnφ(d)=dnφ(pk11)φ(pk22)...φ(pkmm)=mi=1cik=0φ(pki) .
φ(n)=npn(11p) .
dnφ(d)=mi=1cik=0pk1i(pi1) .
dnφ(d)=mi=1[(pi1)(p0+p1+...+pci)+1]=mi=1pcii=n .
Q.E.D.

欧拉筛解决欧拉函数 O(n)
由前文可知,欧拉筛可以让我们快速的找出每一个数的最小质因数
由于欧拉函数是积性函数,所以我们只需要求出 φ(pk) ,即有 φ(n)=φ(n)φ(npk)

PROOF
φ(n)=npn(11p) .
φ(pk)=(p1)pk .
Let n=apj ,while pj is the minimun prime factor of n .
We conclude that

φ(n)=φ(a)×(pj1) , pja,φ(a)×pj , pja,pj1 , n is a prime.

Q.E.D.

#include <cstdio>
#define R register
bool vis[1000010];
int P[1000010], tot, phi[1000010];
int main()
{
    for(R int i = 2; i <= 1000000; i++)
    {
        if(!vis[i]) P[++tot] = i, phi[i] = P[tot] - 1;
        for(R int j = 1; j <= tot && P[j] * i <= 1000000; j++)
        {
            vis[i * P[j]] = 1;
            if(i % P[j] == 0) 
            {
                phi[i * P[j]] = phi[i] * P[j];
                break;
            }
            else phi[i * P[j]] = phi[i] * (P[j] - 1);
        }
    }
    return 0;
}

莫比乌斯反演 μ

欧拉筛解决莫比乌斯函数, O(n)
莫比乌斯函数:

μ(n)=1 , n=1(1)k , n=p1p2...pk0 , others

莫比乌斯函数可以用于解决形如:
g(n)=dnf(d)
f(n)=d|nμ(d)g(nd)

同理,莫比乌斯函数也是一个积性函数,所以我们只需快速地求出 μ(pk) 即可。

PROOF
From the defination of Möbius inversion formula we have that iff k=1 μ(pk)=1 ,otherwise k=0 .
We conclude that

μ(n)=μ(a) , pja,0 , pja,1 , n is a prime.

Q.E.D.

#include <cstdio>
#define R register
bool vis[1000010];
int P[1000010], tot, mu[1000010];
int main()
{
    mu[1] = 1;
    for(R int i = 2; i <= 1000000; i++)
    {
        if(!vis[i]) P[++tot] = i, mu[i] = -1;
        for(R int j = 1; j <= tot && P[j] * i <= 1000000; j++)
        {
            vis[i * P[j]] = 1;
            if(i % P[j] == 0) 
            {
                mu[i * P[j]] = 0;
                break;
            }
            else mu[i * P[j]] = -mu[i];
        }
    }
    return 0;
}

参考文献:
1.贾志鹏,《线性筛法与积性函数》。

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