定义
Powerful Number(以下简称 PN)筛类似于杜教筛,或者说是杜教筛的一个扩展,可以拿来求一些积性函数的前缀和.
要求:
- 存在一个函数 满足:
- 是积性函数.
- 易求前缀和.
- 对于质数 ,.
假设现在要求积性函数 的前缀和 .
Powerful Number
定义:对于正整数 ,记 的质因数分解为 . 是 PN 当且仅当 .
性质 1:所有 PN 都可以表示成 的形式.
证明:若 是偶数,则将 合并进 里;若 为奇数,则先将 合并进 里,再将 合并进 里.
性质 2: 以内的 PN 至多有 个.
证明:考虑枚举 ,再考虑满足条件的 的个数,有 PN 的个数约等于
那么如何求出 以内所有的 PN 呢?线性筛找出 内的所有素数,再 DFS 搜索各素数的指数即可.由于 以内的 PN 至多有 个,所以至多搜索 次.
PN 筛
首先,构造出一个易求前缀和的积性函数 ,且满足对于素数 ,.记 .
然后,构造函数 ,这里的 表示狄利克雷卷积除法.根据狄利克雷卷积的性质可以得知 也为积性函数,因此 .,这里 表示狄利克雷卷积.
对于素数 ,.根据 和 是积性函数可以推出对于非 PN 的数 有 ,即 仅在 PN 处取有效值.
现在,根据 有
找出所有 PN,计算出所有 的有效值.对于 有效值的计算,只需要计算出所有 处的值,就可以根据 为积性函数推出 的所有有效值.现在对于每一个有效值 ,计算 并累加即可得到 .
下面考虑计算 ,一共有两种方法:一种是直接推出 仅与 有关的计算公式,再根据公式计算 ;另一种是根据 有 ,移项可得 ,现在就可以枚举素数 再枚举指数 求解出所有 .
过程
- 构造
- 构造快速计算 的方法
- 计算
- 搜索 PN,过程中累加答案
- 得到结果
对于第 3 步,可以直接根据公式计算,可以使用枚举法预处理打表,也可以搜索到了再临时推.
性质
以使用第二种方法计算 为例进行分析.可以分为计算 和搜索两部分进行分析.
对于第一部分,根据 内的素数个数为 ,每个素数 的指数 至多为 ,计算 需要循环 次,由此有第一部分的时间复杂度为 ,且这是一个宽松的上界.根据题目的不同还可以添加不同的优化,从而降低第一部分的时间复杂度.
对于搜索部分,由于 以内的 PN 至多有 个,所以至多搜索 次.对于每一个 PN,根据计算 的方法不同,时间复杂度也不同.例如,假设计算 的时间复杂度为 ,则第二部分的复杂度为 .
特别地,若借助杜教筛计算 ,则第二部分的时间复杂度为杜教筛的时间复杂度,即 .因为若事先计算一次 ,并且预先使用线性筛优化和用支持快速随机访问的数据结构(如 C++ 中的 std::map 和 std::unordered_map)记录较大的值,则杜教筛过程中用到的 都是线性筛中记录的或者 std::map 中记录的,这一点可以直接用程序验证.
对于空间复杂度,其瓶颈在于存储 .若使用二维数组 记录, 表示 的值,则空间复杂度为 .
例题
Luogu P5325【模板】Min_25 筛
题意:给定积性函数 ,求 .
易得 ,构造 .
考虑使用杜教筛求 ,根据 可得 .
之后 的取值可以枚举计算,这种方法不再赘述.
此外,此题还可以直接求出 仅与 有关的公式,过程如下:
再根据 ,通过累加法即可推出 .
参考代码
#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;
constexpr int MOD = 1e9 + 7;
template <typename T>
int mint(T x) {
x %= MOD;
if (x < 0) x += MOD;
return x;
}
int add(int x, int y) { return x + y >= MOD ? x + y - MOD : x + y; }
int mul(int x, int y) { return (long long)1 * x * y % MOD; }
int sub(int x, int y) {
return x < y ? x - y + MOD : x - y; // 防止负数
}
int qp(int x, int y) {
int r = 1;
for (; y; y >>= 1) {
if (y & 1) r = mul(r, x);
x = mul(x, x);
}
return r;
}
int inv(int x) { return qp(x, MOD - 2); }
namespace PNS {
constexpr int N = 2e6 + 5;
constexpr int M = 35;
long long global_n;
int g[N], sg[N];
int h[N][M];
bool vis_h[N][M];
int ans;
int pcnt, prime[N], phi[N];
bool isp[N];
void sieve(int n) {
pcnt = 0;
for (int i = 2; i <= n; ++i) isp[i] = true; // 判断质数数组
phi[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; ++i) {
if (isp[i]) {
++pcnt;
prime[pcnt] = i;
phi[i] = i - 1;
}
for (int j = 1; j <= pcnt; ++j) { // 筛去非质数
long long nxt = (long long)1 * i * prime[j];
if (nxt > n) break;
isp[nxt] = false;
if (i % prime[j] == 0) { // i是非质数的情况
phi[nxt] = phi[i] * prime[j];
break;
}
phi[nxt] = phi[i] * phi[prime[j]];
}
}
for (int i = 1; i <= n; ++i) g[i] = mul(i, phi[i]);
sg[0] = 0;
for (int i = 1; i <= n; ++i) sg[i] = add(sg[i - 1], g[i]); // g函数的前缀和
}
int inv2, inv6;
void init() {
sieve(N - 1);
for (int i = 1; i <= pcnt; ++i) h[i][0] = 1, h[i][1] = 0;
for (int i = 1; i <= pcnt; ++i) vis_h[i][0] = vis_h[i][1] = true;
inv2 = inv(2);
inv6 = inv(6);
}
int S1(long long n) { return mul(mul(mint(n), mint(n + 1)), inv2); }
int S2(long long n) {
return mul(mul(mint(n), mul(mint(n + 1), mint(n * 2 + 1))), inv6);
}
map<long long, int> mp_g;
int G(long long n) {
if (n < N) return sg[n];
if (mp_g.count(n)) return mp_g[n];
int ret = S2(n);
for (long long i = 2, j; i <= n; i = j + 1) {
j = n / (n / i);
ret = sub(ret, mul(sub(S1(j), S1(i - 1)), G(n / i)));
}
mp_g[n] = ret;
return ret;
}
void dfs(long long d, int hd, int pid) {
ans = add(ans, mul(hd, G(global_n / d)));
for (int i = pid; i <= pcnt; ++i) {
if (i > 1 && d > global_n / prime[i] / prime[i]) break; // 剪枝
int c = 2;
for (long long x = d * prime[i] * prime[i]; x <= global_n;
x *= prime[i], ++c) { // 计算f.g函数
if (!vis_h[i][c]) {
int f = qp(prime[i], c);
f = mul(f, sub(f, 1));
int g = mul(prime[i], prime[i] - 1);
int t = mul(prime[i], prime[i]);
for (int j = 1; j <= c; ++j) {
f = sub(f, mul(g, h[i][c - j]));
g = mul(g, t);
}
h[i][c] = f;
vis_h[i][c] = true;
}
if (h[i][c]) dfs(x, mul(hd, h[i][c]), i + 1);
}
}
}
int solve(long long n) {
global_n = n;
ans = 0;
dfs(1, 1, 1);
return ans;
}
} // namespace PNS
int main() {
PNS::init();
long long n;
cin >> n;
cout << PNS::solve(n) << '\n';
return 0;
}
「LOJ #6053」简单的函数
给定 :
易得:
构造 为
易证 且 为积性函数.
下面考虑求 .
记 ,,则 .
当 时,有
当 时,有
综上,有 .
可以用杜教筛求, 直接按照公式推,这样 也可以求出来了.
参考代码
#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;
constexpr int MOD = 1e9 + 7;
constexpr int inv2 = (MOD + 1) / 2;
template <typename T>
int mint(T x) {
x %= MOD;
if (x < 0) x += MOD;
return x;
}
int add(int x, int y) {
return x + y >= MOD ? x + y - MOD : x + y; // 防止大于模数
}
int mul(int x, int y) { return (long long)1 * x * y % MOD; }
int sub(int x, int y) {
return x < y ? x - y + MOD : x - y; // 防负数
}
namespace PNS {
constexpr int N = 2e6 + 5;
constexpr int M = 35;
long long global_n;
int s1[N], s2[N];
int h[N][M];
bool vis_h[N][M];
int ans;
int pcnt, prime[N], phi[N];
bool isp[N];
void sieve(int n) {
pcnt = 0;
for (int i = 2; i <= n; ++i) isp[i] = true; // 判断质数数组
phi[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; ++i) {
if (isp[i]) {
++pcnt;
prime[pcnt] = i;
phi[i] = i - 1;
}
for (int j = 1; j <= pcnt; ++j) { // 筛去非质数
long long nxt = (long long)1 * i * prime[j];
if (nxt > n) break;
isp[nxt] = false;
if (i % prime[j] == 0) { // i是非质数的情况
phi[nxt] = phi[i] * prime[j];
break;
}
phi[nxt] = phi[i] * phi[prime[j]];
}
}
s1[0] = 0;
for (int i = 1; i <= n; ++i) s1[i] = add(s1[i - 1], phi[i]);
s2[0] = 0;
for (int i = 1; i <= n / 2; ++i) {
s2[i] = add(s2[i - 1], phi[2 * i]);
}
}
void init() {
sieve(N - 1);
for (int i = 1; i <= pcnt; ++i) h[i][0] = 1;
for (int i = 1; i <= pcnt; ++i) vis_h[i][0] = true;
}
map<long long, int> mp_s1;
int S1(long long n) {
if (n < N) return s1[n];
if (mp_s1.count(n)) return mp_s1[n];
int ret = mul(mul(mint(n), mint(n + 1)), inv2);
for (long long i = 2, j; i <= n; i = j + 1) {
j = n / (n / i);
ret = sub(ret, mul(mint(j - i + 1), S1(n / i)));
}
mp_s1[n] = ret;
return ret;
}
map<long long, int> mp_s2;
int S2(long long n) {
if (n < N / 2) return s2[n];
if (mp_s2.count(n)) return mp_s2[n];
int ret = add(S1(n), S2(n / 2));
mp_s2[n] = ret;
return ret;
}
int G(long long n) { return add(S1(n), mul(2, S2(n / 2))); }
void dfs(long long d, int hd, int pid) {
ans = add(ans, mul(hd, G(global_n / d)));
for (int i = pid; i <= pcnt; ++i) {
if (i > 1 && d > global_n / prime[i] / prime[i]) break; // 剪枝
int c = 2;
for (long long x = d * prime[i] * prime[i]; x <= global_n;
x *= prime[i], ++c) {
if (!vis_h[i][c]) {
int f = prime[i] ^ c, g = prime[i] - 1;
// p = 2时特判一下
if (i == 1) g = mul(g, 3);
for (int j = 1; j <= c; ++j) {
f = sub(f, mul(g, h[i][c - j]));
g = mul(g, prime[i]);
}
h[i][c] = f;
vis_h[i][c] = true;
}
if (h[i][c]) dfs(x, mul(hd, h[i][c]), i + 1);
}
}
}
int solve(long long n) {
global_n = n;
ans = 0;
dfs(1, 1, 1);
return ans;
}
} // namespace PNS
int main() {
PNS::init(); // 预处理函数
long long n;
cin >> n;
cout << PNS::solve(n) << '\n';
return 0;
}