【洛谷2257/BZOJ2820】YY的GCD(数论/莫比乌斯函数)

时间:2022-07-20 05:18:00

题目:

洛谷2257

预备知识:莫比乌斯定理(懵逼乌斯定理)

\(\mu*1=\epsilon\)(证bu明hui略zheng)
其中(我校学长把\(\epsilon(x)\)叫单位函数但是为什么我没百度到qwq)
\[\epsilon(x)=\begin{cases}1 & x=1\\ 0 & x\neq1\\ \end{cases}\]
\[\mu(x)=\begin{cases}1 & x=1\\ 0 & 存在质数p使p^2|x\\ (-1)^k & k是x质因数的个数 \end{cases}\]
那个\(*\)是迪利克雷卷积,换成人话就是
\[\epsilon(n)=\sum_{d|n}\mu(d)\]
我觉得用这种方式理解莫比乌斯定理比设两个函数容易

分析:

这题莫比乌斯定理的经典用例。
本文中默认\(N>M\)
默认\(p\)是质数

显然如果\(gcd(i,j)=p\),那么\(gcd(\frac{i}{p}, \frac{j}{p})=1\)
那么题目所求可以转换成下面的式子
\[\sum_{p}^N\sum_i^{N/p}\sum_j^{M/p}\epsilon(gcd(i,j))\]
其中(我校学长把这个叫单位函数但是我没百度到qwq)
\[\epsilon(x)=\begin{cases}1 & x=1\\ 0 & x\neq1\\ \end{cases}\]

根据莫比乌斯反演定理,上面的式子就可以变成
\[\sum_{p=2}^N\sum_i^{N/p}\sum_j^{M/p}\sum_{d|gcd(i,j)}\mu(d)\]
改变一下枚举顺序,用\(d·i\)表示原来的\(i\)\(d·j\)表示原来的\(j\),得到
\[\sum_{p=2}^N\sum_d^{N/p}\sum_i^{N/pd}\sum_j^{M/pd}\mu(d)\]
可以发现\(\mu(d)\)\(i\)\(j\)没半毛钱关系,仅仅是乘上\(i\)\(j\)可以取的值的数量
也就是
\[\sum_{p=2}^N\sum_d^{N/p}\mu(d)*\lfloor\frac{N}{pd}\rfloor*\lfloor\frac{M}{pd}\rfloor\]
\(T=pd\),枚举T,上式可变成
\[\sum_T^N\sum_{p|T}\mu(\frac{T}{p})*\lfloor\frac{N}{T}\rfloor*\lfloor\frac{M}{T}\rfloor\]
\[g(x)=\sum_{p|x}\mu(\frac{x}{p})\]
则上式就是
\[\sum_T^N\lfloor\frac{N}{T}\rfloor*\lfloor\frac{M}{T}\rfloor*g(T)\]
现在考虑如何求\(g(x)\)这个函数。
首先,对于任意质数\(p\),显然\(g(p)=\mu(1)=1\)
然后,对于任意合数\(n=kp_0\)\(p_0\)是质数)\(g(n)\)中显然存在\(\mu(\frac{n}{p_0})\)也就是\(\mu(k)\)这一项
\({p_0}|k\),也就是\(p_0^2|n\),对于任意\(p|k\)\(p\neq p_0\)\(\mu(\frac{n}{p})\)中一定有\(p_0^2\)这个质数平方因子。根据\(\mu(x)\)的定义,\(\mu(\frac{n}{p})=0\)
所以此时\(g(n)=\mu(k)\)
\(p_0\)不能整除\(k\),对于任意\(p|k\)\(\mu(\frac{n}{p})\)\(\mu(\frac{k}{p})\)多了\(p_0\)这个质因子。根据\(\mu(x)\)的定义\(\mu(\frac{n}{p})=-\mu(\frac{k}{p})\)
所以此时\(g(n)=-g(k)+\mu(k)\)
总结一下
\[g(x)=\begin{cases}1 & x是质数\\ \mu(k) & x=kp且p能整除k\\ -g(k)+\mu(k) & x=kp且p不能整除k \end{cases}\]
显然这个函数可以用线性筛求
\[\sum_T^N\lfloor\frac{N}{T}\rfloor*\lfloor\frac{M}{T}\rfloor*g(T)\]
再来看这个式子,既然\(g(T)\)可以直接预处理并\(O(1)\)查询,那么计算这个式子的时间复杂度就是枚举\(T\)的复杂度\(O(N)\)
我会做啦!

  • 别急,这题还有\(T\)组询问,所以复杂度是O(不可过)\(O(NT)\),这个过不了。
    但是我们可以发现\(\lfloor\frac{N}{T}\rfloor*\lfloor\frac{M}{T}\rfloor\)\(T\)的一段区间内是不变的,所以可以给\(g(T)\)算个前缀和然后分段计算,据说复杂度是\(O(\sqrt N T)\)(我不会证),这样就可以过了

代码:

#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
using namespace std;

namespace zyt
{
    typedef long long ll;
    const int N = 1e7 + 10, M = 7e5;
    bool mark[N];
    int cnt, prime[M], phi[N], mu[N];
    ll g[N];
    void init()
    {
        mu[1] = 1;
        for (int i = 2; i < N; i++)
        {
            if (!mark[i])
                prime[cnt++] = i, mu[i] = -1, g[i] = 1;
            for (int j = 0; j < cnt && (ll)i * prime[j] < N; j++)
            {
                int k = i * prime[j];
                mark[k] = true;
                if (i % prime[j] == 0)
                {
                    mu[k] = 0;
                    g[k] = mu[i];
                    break;
                }
                else
                {
                    mu[k] = -mu[i];
                    g[k] = -g[i] + mu[i];
                }
            }
        }
        for (int i = 2; i < N; i++)
            g[i] += g[i - 1];
    }
    void work()
    {
        int T;
        init();
        scanf("%d", &T);
        while (T--)
        {
            int n, m, pos = cnt;
            ll ans = 0;
            scanf("%d%d", &n, &m);
            if (n > m)
                swap(n, m);
            for (int t = 1; t <= n;)
            {
                int tmp = min(n / (n / t), m / (m / t));
                ans += (g[tmp] - g[t - 1]) * (n / t) * (m / t);
                t = tmp + 1;
            }
            printf("%lld\n", ans);
        }
    }
}
int main()
{
    zyt::work();
    return 0;
}