数论-莫比乌斯反演

1.这可能是数论里面比较难的一个地方,但是我觉得只要你认真把这篇博客读完,就会有新的认识。

2.首先,我是凭借这自己的理解写下了这篇博客,疏漏之处还请各位julao指出来。嗯,那么我要开始了。

3.说道莫比乌斯反演,我们就不得不说一个东西:狄利克雷卷积。什么叫做卷积?这是一个问题,其实卷积就是一种求和(个人观点)再概率论中,也有卷积公式。我觉得和这里的卷积是一个意思,只不过概率论中是积分,也就是连续型的求和,我们这里是离散型。

这就是狄利克雷卷积了。狄利克雷卷积也是一种运算,这种运算满足结合律,交换率等。但是我需要关注的一点就是下边这两个东西:

单位元和逆元。这是离散数学里面会有的概念,如果不是很懂,我简单的解释以下他们。首先单位元的作用和我们平时说的单位一作用类似。需要注意的是,每种运算的单位元和逆元是不一定一样的(如果他们存在)。比如再乘法下:单位元就是1,a*1=1*a.逆元(再乘法下)如果这个数不是0,那就是他的倒数。嗯,意思就是这个意思,虽然很不严谨。需要注意的一个很重要的性质:与单位函数卷积的结果还是自己。这很关键。

4.为什么要说这些东西,因为我觉得正是因为这些,才会有下边的莫比乌斯反演。

5.知道了这些,我们再来看什么叫做莫比乌斯函数:

u就是莫比乌斯函数,定义也是一目了然。那么我们看一下莫比乌斯函数的一个很重要的性质:

你发现了什么?莫比乌斯函数的逆元竟然是1,也就是单位函数。好了,也许你现在是很疑惑,你可能会想:到处都很重要,我快晕了。那么再坚持一会,接下来我们就要放大招了,让你彻底明白为什么这种类型函数的求和非要用莫比乌斯反演,而不是其他函数反演(这里需要注意,反演也是一种运算,类似与我们高数中的反函数,所以理论上来说这种离散型的函数都是可以反演的)。那么我们来看莫比乌斯反演的结论:

这就是莫比乌斯反演的结论了,这个结论其实告诉了我们这样的一个事实:如果你去求g(n)不好求,你发现g(n)的狄利克雷卷积很简单求得(什么?这里没有卷积?别急,其实是有的,我们一会就说)那么我们就可以通过反演,求得g(n).OK,我们来证明这个式子:

          我们知道,根据我们上边提到的,一个数卷积单位函数结果是不会发生变化的:

       那么对与:g(d)=g(d)*1.然而,我们又知道,1不仅仅是单位函数,也是莫比乌斯函数的逆函数。那么又可以写成

      g(d)*1=g(d)*u^{-1}(n/d).写成狄利克雷卷积:f=g*u^{-1},两边同时乘(其实不是乘,理解为乘也没错)u,得到:f*u=g

     展开即得结论。

所以通过证明,你是不是明白了为什么要用莫比乌斯函数来反演了吧,就是因为他的逆函数是单位一,这一点使得它的引入不会改变式子的值的同时还会化腐朽为神奇。

好了,我们再看一个结论,或者说再来证明一个结论。

\varphi函数等于u函数卷积Id函数。\varphi函数就是欧拉函数,Id函数如上。其实证明也很简单,我就不再一步一步的说了,只是提出来两个可能有点难以i理解的地方。首先是第三行:求和换序这个地方。实际上也是很容易理解的,因为i,j两个互不相关,所以可以任意换序。gcd(i,j)=k---->gcd(i/k,j/k)=1.这个变形应该没有什么问题。那个地方为什么不是i/k而还是i,因为它的区间缩小了,相当于我们的等量带换,手动推一下就知道了。外边为啥变成了j|n,而不再是j了,其实也很简单,也是等量代换。然后是第四行:这里突然间就引入了\varphi函数,仔细观察第三行得到的式子,那个式子就是在说:找到i从1到n/j里面所有与n/j互质的数的个数,这不就是\varphi(n/j)嘛。然后就可以继续使用我们刚才的技巧:Id=1*\varphi---->\varphi=u*Id.式子得证。

 

所以莫比乌斯其实不难