[SPOJ] DIVCNT2 - Counting Divisors (square) (平方的约数个数前缀和 容斥 卡常)

时间：2021-04-08 20:21:54

题目

vjudge URL:Counting Divisors (square)

Let σ0(n)\sigma_0(n)σ0​(n) be the number of positive divisors of nnn.

For example, σ0(1)=1\sigma_0(1) = 1σ0​(1)=1, σ0(2)=2\sigma_0(2) = 2σ0​(2)=2 and σ0(6)=4\sigma_0(6) = 4σ0​(6)=4.

Let S2(n)=∑i=1nσ0(i2).S_2(n) = \sum _{i=1}^n \sigma_0(i^2).S2​(n)=i=1∑n​σ0​(i2).

Given NNN, find S2(N)S_2(N)S2​(N).

Input

First line contains TTT (1≤T≤100001 \le T \le 100001≤T≤10000), the number of test cases.

Each of the next TTT lines contains a single integer NNN. (1≤N≤10121 \le N \le 10^{12}1≤N≤1012)

Output

For each number NNN, output a single line containing S2(N)S_2(N)S2​(N).

Example
  • Input

5

1

2

3

10

100

  • Output

1

4

7

48

1194

  • Explanation for Input

        S2(3)=σ0(12)+σ0(22)+σ0(32)=1+3+3=7~~~~S_2(3) = \sigma_0(1^2) + \sigma_0(2^2) + \sigma_0(3^2) = 1 + 3 + 3 = 7    S2​(3)=σ0​(12)+σ0​(22)+σ0​(32)=1+3+3=7
Information

There are 6 Input files.

  • Input #1: 1≤N≤100001 \le N \le 100001≤N≤10000, TL = 1s.
  • Input #2: 1≤T≤800, 1≤N≤1081 \le T \le 800,\ 1 \le N \le 10^{8}1≤T≤800, 1≤N≤108, TL = 20s.
  • Input #3: 1≤T≤200, 1≤N≤1091 \le T \le 200,\ 1 \le N \le 10^{9}1≤T≤200, 1≤N≤109, TL = 20s.
  • Input #4: 1≤T≤40, 1≤N≤10101 \le T \le 40,\ 1 \le N \le 10^{10}1≤T≤40, 1≤N≤1010, TL = 20s.
  • Input #5: 1≤T≤10, 1≤N≤10111 \le T \le 10,\ 1 \le N \le 10^{11}1≤T≤10, 1≤N≤1011, TL = 20s.
  • Input #6: T=1, 1≤N≤1012T = 1,\ 1 \le N \le 10^{12}T=1, 1≤N≤1012, TL = 20s.

My C++ solution runs in 5.3 sec. (total time) //呵呵

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题目分析

σ0(n)\sigma_0(n)σ0​(n)表示nnn的约数个数,即求

∑i=1nσ0(i2)\large \sum_{i=1}^n
\sigma_0(i^2)i=1∑n​σ0​(i2)

1&lt;=n&lt;=10121&lt;=n&lt;=10^{12}1<=n<=1012

前言
  • mdzz，写了1h的Latex公式没保存。。因为机房电脑的烂CPU，本地测这道题的极限数据时崩溃了c
  • 这道题是真的卡常，最后点线性筛必须筛到很大，5e7能过，1e7、2e7都不行(可能因为我是大常数选手吧，悄悄打上卡常的FLAG)
  • 本地评测炸电脑，真的无语。。
  • 刚开始模了1e9+7 WA了好久。。。
  • 由于是求函数前缀和，又和杜教筛的题一起做的，就放在杜教筛/莫比乌斯反演里吧
正文

设n=∏i=1kpiai\large n=\prod_{i=1}^kp_i^{a_i}n=∏i=1k​piai​​

则σ0(n2)=∏i=1k(2ai+1)=∑S∈{1,2,...,k}2∣S∣⋅∏i∈Sai\large \sigma_0(n^2)=\prod_{i=1}^k(2a_i+1)\\=\sum_{S\in\{1,2,...,k\}}2^{|S|}\cdot\prod_{i\in S}a_iσ0​(n2)=i=1∏k​(2ai​+1)=S∈{1,2,...,k}∑​2∣S∣⋅i∈S∏​ai​

将∏i∈Sai\prod_{i\in S}a_i∏i∈S​ai​看作是 只由S内的下标所对应的素数\color{blue}S内的下标所对应的素数S内的下标所对应的素数(乘起来)构成的nnn的约数的个数,因为每一个约数都对答案造成了对应的2∣S∣2^{|S|}2∣S∣的贡献,那么

σ0(n2)=∑d∣n2ω(d)\large \sigma_0(n^2)=\sum_{d|n}2^{\omega(d)}σ0​(n2)=d∣n∑​2ω(d)其中ω(d)\omega(d)ω(d)表示d的质因子的个数(想想)

与此同时，我们又发现2ω(d)2^{\omega(d)}2ω(d)实质上是ddd的质因子选或不选的方案数,也就是nnn的无平方因子的约数的个数，则

σ0(n2)=∑d∣n∑k∣d∣μ(k)∣\large \sigma_0(n^2)=\sum_{d|n}\sum_{k|d}|\mu(k)|σ0​(n2)=d∣n∑​k∣d∑​∣μ(k)∣因为根据μ\muμ函数的定义，只有无平方因子数的函数值才为111或−1-1−1，加上绝对值就相当于统计了个数(有的题解也写的是μ(k)2\mu(k)^2μ(k)2,个人认为第一眼看到这个平方会懵一会)

∑i=1nσ0(i2)=∑i=1n∑d∣i∑k∣d∣μ(k)∣=∑k=1n∣μ(k)∣∑k∣d∑d∣i1=∑k=1n∣μ(k)∣∑k∣d⌊nd⌋=∑k=1n∣μ(k)∣∑d=1⌊nk⌋⌊ndk⌋=∑k=1n∣μ(k)∣∑d=1⌊nk⌋⌊⌊nk⌋d⌋=∑k=1n∣μ(k)∣∑d=1⌊nk⌋⌊⌊nk⌋d⌋\large \sum_{i=1}^n\sigma_0(i^2)=\sum_{i=1}^n\sum_{d|i}\sum_{k|d}|\mu(k)|\\=\sum_{k=1}^n|\mu(k)|\sum_{k|d}\sum_{d|i}1\\=\sum_{k=1}^n|\mu(k)|\sum_{k|d}\lfloor\frac nd\rfloor\\=\sum_{k=1}^n|\mu(k)|\sum_{d=1}^{\lfloor\frac nk\rfloor}\lfloor\frac n{dk}\rfloor\\=\sum_{k=1}^n|\mu(k)|\sum_{d=1}^{\lfloor\frac nk\rfloor}\lfloor\frac {\lfloor\frac nk\rfloor}d\rfloor\\=\sum_{k=1}^n|\mu(k)|\sum_{d=1}^{\lfloor\frac nk\rfloor}\lfloor\frac {\lfloor\frac nk\rfloor}d\rfloori=1∑n​σ0​(i2)=i=1∑n​d∣i∑​k∣d∑​∣μ(k)∣=k=1∑n​∣μ(k)∣k∣d∑​d∣i∑​1=k=1∑n​∣μ(k)∣k∣d∑​⌊dn​⌋=k=1∑n​∣μ(k)∣d=1∑⌊kn​⌋​⌊dkn​⌋=k=1∑n​∣μ(k)∣d=1∑⌊kn​⌋​⌊d⌊kn​⌋​⌋=k=1∑n​∣μ(k)∣d=1∑⌊kn​⌋​⌊d⌊kn​⌋​⌋

  • 先看第二个∑\large\sum∑，对于某一个⌊nk⌋\large{\lfloor\frac nk\rfloor}⌊kn​⌋的取值，把它记作NNN，就以NNN的范围做整除分块优化，Θ(N)\large\Theta(\sqrt N)Θ(N​)的时间复杂度，那么外层还有一个求和，于是在外面也套一层整除分块优化，预处理出前n23\large n^{\frac 23}n32​后时间复杂度为Θ(n23)\large\Theta(n^{\frac23})Θ(n32​)
    • 此处预处理为线性筛，考虑变换，∑i=1n⌊ni⌋\large\sum_{i=1}^n\large{\lfloor\frac ni\rfloor}∑i=1n​⌊in​⌋实际可看作枚举iii后看nnn以内有多少个数能被iii整除，这不就是∑i=1nσ0(i)\large\sum_{i=1}^n\sigma_0(i)∑i=1n​σ0​(i)吗？

      于是我们只需要筛出约数个数在累加就行了，线性筛时存一下当前数的最小质因子的次数就可以愉快的线性筛了
  • 由于在外面一层套上了整除分块优化，则需要求出∣μ(k)∣\large |\mu(k)|∣μ(k)∣的前缀和，也就是nnn以内的无平方因子数
    • 这里处理无平方因子数时用容斥原理，有

      ∑i=1n∣μ(i)∣=∑i=1nμ(i)⋅⌊ni2⌋\large\sum_{i=1}^n|\mu(i)|=\sum_{i=1}^{\sqrt n}\mu(i)\cdot\lfloor\frac n{i^2}\rfloori=1∑n​∣μ(i)∣=i=1∑n​​μ(i)⋅⌊i2n​⌋想想μ\muμ函数的定义，这个容斥还是比较好理解的

      Θ(n)\large \Theta(\sqrt n)Θ(n​)可处理出来

综上，各种操作之后把时间复杂度降到了Θ(n23)\large\Theta(n^{\frac 23})Θ(n32​)

等等，真的降到了吗？？！看看降到Θ(n23)\large\Theta(n^{\frac 23})Θ(n32​)的条件？

  • 预处理出前n23\large n^{\frac 23}n32​

然而1&lt;=n&lt;=10121&lt;=n&lt;=10^{12}1<=n<=1012(掀桌)

所以只能尽可能的接近，实测5e75e75e7能过，2e72e72e7都会TLE

CAUTION

首先做这道题，如果电脑是机房的老电脑/旧电脑/烂电脑，不要像作死去测什么101210^{12}1012的极限数据，反正我是卡爆了(逃)

也不要像我一样边写代码边写博客，更不要卡住之后作死的乱点一气把浏览器搞炸了，我写了1h1h1h的LatexLatexLatex啊!!!(这里的公式已经是精简版了)

最后一句忠告，写博客多按保存(富文本编辑器似乎会过一会就自动保存一下，不过不能写数学公式)，写代码也是…

AC code
#include <cstdio>

#include <cstring>

#include <cmath>

#include <algorithm>

using namespace std;

typedef long long LL;

const int MAXN = 5e7 + 1;//!!!

int Prime[MAXN], mu[MAXN], d[MAXN], Min_a[MAXN], Cnt;

bool IsnotPrime[MAXN];

LL sum_d[MAXN], sum_mu[MAXN];

void init(int n)//线性筛，Min_a[i]存的是i最小质因子的次数

{

	d[1] = mu[1] = 1;

	for(int i = 2; i <= n; ++i)

	{

		if(!IsnotPrime[i])

			Prime[++Cnt] = i, mu[i] = -1, d[i] = 2, Min_a[i] = 1;

		for(int j = 1, v; j <= Cnt && i * Prime[j] <= n; ++j)

		{

			v = i * Prime[j];

			IsnotPrime[v] = 1; Min_a[v] = 1;

			if(i % Prime[j] == 0)

			{

				Min_a[v] += Min_a[i];

				mu[v] = 0;

				d[v] = d[i] / Min_a[v] * (Min_a[v] + 1);

				break;

			}

			mu[v] = -mu[i];

			d[v] = d[i]<<1;

		}

	}

	for(int i = 1; i <= n; ++i)

		sum_d[i] = sum_d[i-1] + d[i],

		sum_mu[i] = sum_mu[i-1] + mu[i]*mu[i];

}

inline LL Sum_mu(LL n)//莫比乌斯函数的绝对值的前缀和/[1,n]无平方因子数个数

{

	if(n < MAXN) return sum_mu[n];

	LL ret = 0;

	for(LL i = 1; i*i <= n; ++i)

		ret += mu[i] * (n/(i*i));

	return ret;

}

inline LL Sum_d(LL n) //约数个数前缀和

{

	if(n < MAXN) return sum_d[n];

	LL ret = 0;

	for(LL i = 1, j; i <= n; i=j+1)

	{

		j = n/(n/i);

		ret += (n/i) * (j-i+1);

	}

	return ret;

}

inline LL solve(LL n)

{

	LL ret = 0;

	for(LL i = 1, j; i <= n; i=j+1)

	{

		j = n/(n/i);

		ret += (Sum_mu(j)-Sum_mu(i-1)) * Sum_d(n/i);

	}

	return ret;

}

int main ()

{

	LL T, n;

	scanf("%lld", &T);

	init(T > 800 ? 10000 : MAXN-1); //优化

	while(T--)

	{

		scanf("%lld", &n);

		printf("%lld\n", solve(n));

	}

}

参见 传送门:大佬博客

…

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…

…

…

再次吐槽数学公式的难打

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