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春节

数学学习笔记

2024-07-10 Views 算法1274字7 min read繁

狄利克雷卷积 Dirichlet

定义:

其本质是一种运算,可以用 ∗* 表示。

h(x)=f(x)∗g(x)=∑d∣xf(d)g(xd)=∑ab=xf(a)g(b)h(x)=f(x)*g(x)=\sum_{d|x}f(d)g(\frac{x}{d})=\sum_{ab=x}f(a)g(b)

积性函数 f(x)f(x) 满足 ∀(a,b)=1,f(ab)=f(a)f(b)\forall (a,b)=1,f(ab)=f(a)f(b)。

完全积性函数 f(x)f(x) 满足 f(ab)=f(a)f(b)f(ab)=f(a)f(b)。

可以使用线性筛算出积性函数。

性质:

交换律:f∗g=g∗ff*g=g*f。

结合律:(f∗g)∗h=f∗(g∗h)(f*g)*h=f*(g*h)。

分配律:(f+g)∗h=f∗h+g∗h(f+g)*h=f*h+g*h。

若 ff 和 gg 是积性函数,则 f∗gf*g 也是积性函数。

若 ff 是积性函数,则 ff 的逆元也是积性函数。

逆元:

单位函数 ε\varepsilon,f∗ε=ff*\varepsilon =f。

若 gg 满足 f∗g=εf*g=\varepsilon,则称 g(x)g(x) 是 f(x)f(x) 的逆元。逆元唯一。

ps:目前还不太懂这是什么,但好像可以理解为 ε(n)={1n=10n=1\varepsilon(n)=\begin{cases}1&n=1\\0&n\not=1\end{cases}。

g(x)=ε(x)−∑d∣x,d=1f(d)f(xd)1g(x)= \dfrac{\varepsilon(x)-\sum_{d|x,d\not=1} f(d)f(\dfrac{x}{d})}{1}

莫比乌斯函数 Möbius

定义式:

n=p1a1p2a2...pkakμ(n)={1n=10∃i≤k,ai>1(−1)kelsen=p_1^{a_1}p_2^{a_2}...p_k^{a_k}\\ \mu(n)=\begin{cases} 1 &n=1 \\ 0 & \exist i \le k,a_i>1 \\ (-1)^k& else \end{cases}

性质:

μ(x)\mu(x) 是积性函数。

∑d∣nμ(d)={1n=10n=1\sum_{d|n}\mu(d)=\begin{cases}1&n=1\\0&n\not=1\end{cases}

即 ∑d∣nμ(d)=ε(n),μ∗1=ε\sum_{d|n}\mu(d)=\varepsilon(n),\mu*1=\varepsilon。在狄利克雷卷积中,莫比乌斯函数是常数函数 11 的逆元。

证明

n=p1a1p2a2...pkak,n′=p1p2...pk∵μ(k×a2)=0∴∑d∣nμ(d)=∑d∣n′μ(d)n=p_1^{a_1}p_2^{a_2}...p_k^{a_k},n'=p_1p_2...p_k\\ \because \mu(k \times a^2)=0 \\ \therefore \sum_{d|n}\mu(d)=\sum_{d|n'}\mu(d)

则现在就是尝试在 kk 个互异质数中选择一个集合,若集合大小为奇数,答案 -1,否则答案 +1。k>1k>1 时,∑d∣n′μ(d)=∑i=0k(ki)×(−1)i\sum_{d|n'}\mu(d)=\sum_{i=0}^k\binom{k}{i}\times(-1)^i。二项式定理是 (a+b)n=∑i=0n(ni)aibn−i(a+b)^n=\sum_{i=0}^n\binom{n}{i}a^ib^{n-i},将 a=−1,b=1a=-1,b=1 带入则是 (1+(−1))n=∑i=0n(ni)×(−1)i=0(1+(-1))^n=\sum_{i=0}^n\binom{n}{i}\times(-1)^i=0。故 k>1k>1 时,∑d∣nμ(d)=0\sum_{d|n}\mu(d)=0。剩下情况不难自证。

ps:以上证明只是本人在初学时的结论,不保证正确,等待未来的我修改或确认。

反演结论:

[gcd⁡(i,j)=1]=∑d∣gcd⁡(i,j)μ(d)[\gcd(i,j)=1]=\sum_{d|\gcd(i,j)}\mu(d)

还不会用。。。

阶

定义

由欧拉定理可知,(a,m)=1(a,m)=1,aφ(m)≡1( mod m)a^{\varphi(m)} \equiv 1(\bmod m)。故存在最小正整数满足 an≡1( mod m)a^n \equiv 1(\bmod m),称 nn 为 aa 模 mm 的阶,记作 ord⁡m(a)\operatorname{ord}_m(a)。

性质

a,a2...aord⁡m(a)a,a^2...a^{\operatorname{ord}_m(a)} 模 mm 两两不同余。

若 ap≡aq( mod m)a^p \equiv a^q(\bmod m),则 p≡q( mod ord⁡m(a))p\equiv q(\bmod \operatorname{ord}_m(a))。

(a,m)=(b,m)=1ord⁡m(ab)=ord⁡m(a)ord⁡m(b)⇔gcd(ord⁡m(a),ord⁡m(b))=1(a,m)=(b,m)=1 \\ \operatorname{ord}_m(ab)=\operatorname{ord}_m(a)\operatorname{ord}_m(b) \Leftrightarrow gcd(\operatorname{ord}_m(a),\operatorname{ord}_m(b))=1

原根 primitive-root

定义

若 (g,m)=1(g,m)=1,且 ord⁡m(g)=φ(m)\operatorname{ord}_m(g)=\varphi(m),则称 gg 为模 mm 的原根。

性质

对于 m≥3,(g,m)=1m \ge 3,(g,m)=1,则 gg 是模 mm 的原根 ⇔\Leftrightarrow 对于 φ(m)\varphi(m) 的每个质因子 pp,都有 gφ(m)p≡1( mod m)g^{\frac{\varphi(m)}{p}} \not\equiv 1(\bmod m)。

若 mm 有原根,则原根个数为 φ(φ(m))\varphi(\varphi(m))。

原根存在定理:一个数 mm 存在原根当且仅当 m=2,4,pa,2pam=2,4,p^a,2p^a,pp 为奇质数。

aa 的最小原根大约在 a14a^{\frac{1}{4}}。

EOF