2156. [BZOJ 4407] 于神之怒加强版 - 题解

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题意

给定 $n, m, k$，求 $\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\gcd(i,j)^k$ 模 $10^9+7$ 的结果。$T$ 组数据。（$n,m,k\sim5\times10^6$，$T\sim2\times10^3$）

推导过程

令 $n\le m$

$$\begin{aligned}&\quad\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\gcd(i,j)^k\\&=\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}d^k\cdot[\gcd(i,j)=1]\\&=\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}d^k\sum_{p\mid i,j}\mu(p)\\&=\sum_{d=1}^nd^k\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}\sum_{p\mid i,j}\mu(p)\\&=\sum_{d=1}^nd^k\sum_{p=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\mu(p)\left\lfloor\frac n{dp}\right\rfloor\left\lfloor\frac m{dp}\right\rfloor\\&\text{令}D=dp\\&=\sum_{D=1}^n\left\lfloor\frac n D\right\rfloor\left\lfloor\frac m D\right\rfloor\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)\end{aligned}$$

前面的 $\displaystyle\sum_{D=1}^n\left\lfloor\frac n D\right\rfloor\left\lfloor\frac m D\right\rfloor$ 使用整除分块，仅需求后面 $\displaystyle\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)$；设 $f(D)=\displaystyle\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)$，显然 $f(D)$ 是积性函数，设 $D=\prod p_i^{c_i}$，则有：

$$\begin{aligned}f(D)&=f\left(\prod p_i^{c_i}\right)\\&=\prod f\left(p_i^{c_i}\right)\\&=\prod\left[1^k\mu(p_i^{c_i})+p_i^k\mu(p_i^{c_i-1})+p_i^{2k}\mu(p_i^{c_i-2})+\cdots+p_i^{(c_i-1)k}\mu(p_i)+p_i^{c_ik}\mu(1)\right]\\&=\prod\left[p_i^{c_ik}-p_i^{(c_i-1)k}\right]\\&=\prod\left[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)\right]\end{aligned}$$

线性筛即可。

详细解释

原式如下：

$$\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m\gcd(i,j)^k$$

可令 $n\le m$，若 $n>m$ 直接交换即可。

首先枚举 $\gcd(i,j)$ 可能等于的数，即 $1$ 到 $n$（因为 $n\le m$）。也就是枚举 $d$，当 $\gcd(i,j)=d$ 时才会产生贡献，即：

$$\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^md^k[\gcd(i,j)=d]$$

因为 $i$ 是从 $1$ 到 $n$ 的数字，$d$ 也是从 $1$ 到 $n$ 的数字，所以可以用 $d$ 乘上一个 $1$ 到 $n/d$ 的数来表示 $1$ 到 $n$ 的数，$m$ 同理：

$$\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}d^k[\gcd(i\times d,j\times d)=d]$$

既然 $i\times d$ 与 $j\times d$ 已经有了公共的因数 $d$，那么要使这俩最大公约数为 $d$ 的话，一定有 $\gcd(i,j)=1$：

$$\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}d^k[\gcd(i,j)=1]$$

因为 $\mu*1=\varepsilon$，即 $\sum_{d\mid n}\mu(d)=[n=1]$，替换掉上式的艾弗森括号：

$$\sum_{d=1}^n\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}d^k\sum_{p\mid i,j}\mu(d)$$

$d$ 的取值至于第一层求和有关，与第二、三层求和无关，故可以把 $d^k$ 提到前面：

$$\sum_{d=1}^nd^k\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m d\rfloor}\sum_{p\mid i,j}\mu(p)$$

与其枚举 $i,j$，不如只枚举 $\mu(p)$ 会出现多少次，如果固定了 $p$，那么在 $i$ 在遍历 $1$ 到 $\lfloor\frac n d\rfloor$ 时，会出现 $\lfloor\frac n{dp}\rfloor$ 次 $p$，或者说 $1$ 到 $\lfloor\frac n d\rfloor$ 中有 $\lfloor\frac n{dp}\rfloor$ 个数是 $p$ 的倍数（$j$ 同理）。因为 $p$ 是 $i,j$ 的因数且 $i$ 的枚举范围小于 $j$ 的枚举范围（因为 $n\le m$），所以 $p$ 的枚举范围和 $i$ 相同：

$$\sum_{d=1}^nd^k\sum_{p=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\mu(p)\sum_{i=1}^{\lfloor\frac n{dp}\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac m{dp}\rfloor}1$$

后面两个求和已经能直接算出来了：

$$\sum_{d=1}^nd^k\sum_{p=1}^{\lfloor\frac n d\rfloor}\mu(p)\left\lfloor\frac n{dp}\right\rfloor\left\lfloor\frac m{dp}\right\rfloor$$

令 $D=dp$，转为枚举 $D$ 之后 $\lfloor\frac n{dp}\rfloor\lfloor\frac m{dp}\rfloor$ 就可以直接提出来；$p=D/d$，所以 $\mu(p)$ 被替换成 $\mu(D/d)$；第二层循环与 $d$ 无关，所以 $d^k$ 可以提到第二层循环；此时第二层循环里面就变成了 $d^k\mu(D/d)$，因为 $d=D/p$，所以 $d$ 的枚举范围就是 $d\mid D$：

$$\sum_{D=1}^n\left\lfloor\frac n D\right\rfloor\left\lfloor\frac m D\right\rfloor\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)$$

观察前面的 $\sum_{D=1}^n\lfloor\frac n D\rfloor\lfloor\frac m D\rfloor$ 可以想到用整除分块做，但是想要用整除分块，需要知道后面 $\sum_{d\mid D}d^k\mu(\frac D d)$ 的前缀和（整体的，指在 $D$ 取 $1,2,3\cdots$ 时整个求和结果的前缀和），那就单独来研究它。

令

$$f(D)=\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)$$

$d^k$ 其实就是恒等函数 $\text{id}_k(d)$，$\mu(\frac D d)$ 就是欧拉函数 $\mu(\frac D d)$，那 $f(D)$ 不就是 $\text{id}_k$ 和 $\mu$ 的狄利克雷卷积嘛！

$$f(D)=\sum_{d\mid D}d^k\mu\left(\frac D d\right)=(\text{id}_k*\mu)(D)$$

狄利克雷卷积具有积性保持性（狄利克雷生成函数 - OI Wiki），所以 $f(D)$ 也是积性函数！那就好办了！如果想求 $F(D)$ 的话（注意！上面那个式子 $f(D)$ 表示一个关于 $D$ 的函数，$D$ 是变量，而现在说的 $D$ 是一个给定的常数！），不妨设 $D=\prod p_i^{c_i}$，则根据积性函数的定义：

$$f(D)=f\left(\prod p_i^{c_i}\right)=\prod f(p_i^{c_i})$$

把 $f(p_i^{c_i})$ 都带入 $f(D)=\sum_{d\mid D}d^k\mu(\frac D d)$（同样，这里的 $D$ 只是一个函数中的自变量，与上面那个式子中的 $D$ 含义不同！）：

$$\prod\left[1^k\mu(p_i^{c_i})+p_i^k\mu(p_i^{c_i-1})+p_i^{2k}\mu(p_i^{c_i-2})+\cdots+p_i^{(c_i-1)k}\mu(p_i)+p_i^{c_ik}\mu(1)\right]$$

因为 $p_i$ 是质数，根据莫比乌斯函数的定义（[莫比乌斯反演 - OI Wiki](https://oiwiki.com/math/number-theory/mobius/#定义)），当 $x$ 含有平方因子时 $\mu(x)=0$，那么 $\mu(p_i^{c_i}),\mu(p_i^{c_i-1}),\mu(p_i^{c_i-2})\cdots\mu(p_i^2)$ 都等于 $0$！带入到上式：

$$\prod\left[p_i^{c_ik}-p_i^{(c_i-1)k}\right]$$

居然只剩这么两项了！镇棒！把 $p_i^{(c_i-1)k}$ 给提出来：

$$\prod\left[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)\right]$$

所以，我们得到了函数 $f(D)$ 的表达式：

$$f(D)=\prod\left[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)\right]$$

哇哇！这样不就可以线性筛了嘛！为什么呢？看看线性筛的代码：

void solve(int n) {
   for (int i = 2; i <= n; ++i) {
       if (!vis[i]) {
           primes.push_back(i);
           // 更新 f[i] 值
       }
       for (int p : primes) {
           if (i * p > n) break;
           vis[i * p] = 1;
           if (i % p == 0) {
               // 更新 f[i] 值
               break;
           } else {
               // 更新 f[i] 值
           }
       }
   }
}

假如说现在 $i$ 是质数，程序运行到第 5 行，根据上面得到的式子：$f(D)=\prod[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)]$，这个时候 $p_i=i$ 且 $c_i=1$，那 $f(i)$ 就等于 $p_i^k-1$ 也就是 $i^k-1$。

if (!vis[i]) {
   primes.push_back(i);
   f[i] = (kasumi(i, k) - 1 + MOD) % MOD;
}

到了下面筛 $i\times p$ 时，假如 $i\bmod p\neq0$，也就是 $p$ 不是 $i$ 的因数，$i$ 乘上 $p$ 之后为 $i$ 多添加了一个全新的因数，而且这个因数还是个质数（根据线性筛的定义，每个数只被它最小的质因数筛去（筛法 - OI Wiki）），那么根据刚才的式子：$f(D)=\prod[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)]$，乘积中多添加了 $p^{(c-1)k}(p^k-1)$ 这一项。因为 $p$ 是新添加的因数，所以 $c=1$，那 $p^{(c-1)k}=1$，相当于在乘积中只多添加了 $p^k-1$ 这一项（又或者说是添加了 $f(p)$ 这一项，因为 $p$ 是质数，则 $f(p)=p^k-1$；另一种解释是 $\gcd(i,p)=1$，所以根据积性函数的定义也能得证。），则 $f(i\times p)=f(i)(p^k-1)$（或 $f(i\times p)=f(i)f(p)$）。

if (i % p == 0) {
   // ...
   break;
} else {
   f[i * p] = f[i] * kasumi(p, k) % MOD; // 或 f[i * p] = f[i] * f[p] % MOD;
}

那如果 $i\bmod p=0$ 呢？也就是 $p\mid i$，$p$ 在 $i$ 的质因数中已经出现过了，$i$ 乘上 $p$ 之后相当于把 $p$ 这个质因数的指数加了 $1$，那么根据上式 $f(D)=\prod[p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)]$，$i$ 乘 $p$ 相当于把 $c_i$ 加 $1$，相当于在乘积中添加了 $p_i^k$ 这一项（$\displaystyle\frac{p_i^{(c_i+1-1)k}(p_i^k-1)}{p_i^{(c_i-1)k}(p_i^k-1)}=p_i^k$），则 $f(i\times p)=f(i)p_i^k$。

if (i % p == 0) {
   f[i * p] = f[i] * kasumi(p, k) % MOD;
   break;
} else {
   // ...
}

终于解决完 $f(D)$ 的问题啦，回到原来的答案式：

$$\sum_{D=1}^n\left\lfloor\frac n D\right\rfloor\left\lfloor\frac m D\right\rfloor f(D)$$

因为线性筛时涉及到快速幂，那么只能用 $O(n\log_2k)$ 的时间复杂度求出 $f(D)$ 即其前缀和，加上整除分块，可以用 $O(\sqrt n)$ 的时间复杂度求出答案式。那么整体的时间复杂度就是 $\Theta(n\log_2k+T\sqrt n)$，$\Omega(n\log_2k)$。

代码

#include <cstdio>
#include <vector>
#include <algorithm>
typedef long long ll;

const int MAXN = 5e6 + 10;
const int MOD = 1e9 + 7;

ll kasumi(ll x, ll y) {
  ll res = 1;
  while (y) {
    if (y & 1) res = res * x % MOD;
    y >>= 1;
    x = x * x % MOD;
  }
  return res;
}

ll k;

bool vis[MAXN];
ll f[MAXN];
::std::vector <ll> primes, mi;
void solve(ll n) {
  f[1] = 1;
  for (ll i = 2; i <= n; ++i) {
    if (!vis[i]) {
      primes.push_back(i);
      f[i] = (kasumi(i, k) - 1 + MOD) % MOD;
    }
    for (ll p : primes) {
      if (i * p > n) break;
      vis[i * p] = 1;
      if (i % p == 0) {
        f[i * p] = f[i] * kasumi(p, k) % MOD;
        break;
      } else {
        f[i * p] = f[i] * f[p] % MOD; /* kasumi(p, k) - 1*/
      }
    }
  }
  for (ll i = 1; i <= n; ++i) {
    f[i] = (f[i] + f[i - 1]) % MOD;
  }
}

int T;
ll n, m;
ll ans;

int main() {
  freopen("bzoj_4407.in", "r", stdin);
  freopen("bzoj_4407.out", "w", stdout);
  scanf("%d %lld", &T, &k);
  solve(MAXN - 10);
  while (T--) {
    scanf("%lld %lld", &n, &m);
    if (n > m) n ^= m ^= n ^= m;
    ans = 0;
    for (ll i = 1, ed; i <= n; i = ed + 1) {
      ed = ::std::min(n / (n / i), m / (m / i));
      ans = (ans + (n / i) * (m / i) % MOD * (f[ed] - f[i - 1] + MOD) % MOD) % MOD;
    }
    printf("%lld\n", ans);
  }
  return 0;
}

$$\sideset{}{}{\text{lcm}}_{i=1}^{n}$$