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莫比乌斯函数与容斥原理

容斥原理与 莫比乌斯 函数

容斥原理

∣⋃i=1n∣=∑i=1n∣Si∣−∑1≤i<j≤nn∣Si⋂Sj∣+∑1≤i<j<k≤n∣Si⋂Sj⋂Sk∣+......+(−1)n+1∣S1⋂...⋂Sn∣ \left | \bigcup_{i = 1}^{n} \right | = \sum_ {i = 1}^{n} \left |S_i \right | -\sum_{1 \le i < j \le n}^{n} \left |S_i\bigcap S_j \right | +\sum_{1 \le i < j < k \le n} \left | S_i \bigcap S_j \bigcap S_k \right | + ......+ (-1)^{n+1} \left | S_1 \bigcap ...\bigcap S_n \right|

所以看着是不是非常的头痛,所以我们数形结合用文氏图来直观的表示一下:

文氏图
这样就相对直观一点。

接下来我们再看一下 多重集的组合:

设 S={n1⋅a1,n2⋅a2,...,nk⋅ak}S = \left \{ n_1 \cdot a_1,n_2 \cdot a_2,...,n_k \cdot a_k \right \} 是由 n1n_1 个 a1a_1 ,n2n_2 个 a2a_2 , ..., nkn_k 个 aka_k 组成的多重集。设 n=∑i=1knin = \sum_{i = 1}^{k} n_i ,对于任意整数 r≤nr \le n,从 SS 中取出 rr 个元素组成一个多重集(不考虑顺序),产生的多重集的数量为: Ck+r−1k−1−∑i=1kCk+r−ni−nj−3k−1−...+(−1)kCk+r−∑i=1kni−(k+1)k−1C_{k+r-1}^{k-1}-\sum_{i=1}^{k}C_{k+r-n_i-n_j-3}^{k-1}-...+(-1)^k C_{k+r- \sum_{i=1}^{k}n_i-(k+1)}^{k-1}

Mo¨biusM \ddot{o}bius 函数

设正整数 NN 按照算数基本定理分解质因数为 N=p1c1p2c2...pmcmN=p_{1}^{c_1}p_{2}^{c_2}...p_{m}^{c_m}, 定义函数
μ(N)={0∃i∈[1,m],ci>11m≡0(mod 2),∀i∈[1,m],ci=1−1m≡1(mod 2),∀i∈[1,m],ci=1\mu(N)=\left\{\begin{matrix} 0 & \exists i\in [1,m],c_i>1\\ 1 & m\equiv 0(mod\ 2),\forall i \in[1,m],c_i=1\\ -1 & m\equiv 1 (mod\ 2),\forall i\in [1,m],c_i=1 \end{matrix}\right.
称 μ(N)\mu(N) 为 Mo¨biusM \ddot{o}bius 函数。

性质

莫比乌斯函数不仅是积性函数,还有如下性质:

∑d∣nμ(d)={1n=10n≠1\sum_{d \mid n} \mu(d) = \begin{cases}1&n= 1\\ 0 & n\neq 1\\ \end{cases}

即 ∑d∣nμ(d)=ε(n),μ∗1=ε\sum_{d \mid n}\mu(d) = \varepsilon(n), \mu * 1 = \varepsilon

证明

设 n=∏i=1kpici,n′=∏i=1kpin = \displaystyle\prod_{i = 1}^k{p_i}^{c_i}, n' = \prod_{i = 1} ^k p_i

那么 ∑d∣nμ(d)=∑d∣n′=∑i=0kCki⋅(−1)i=(1+(−1))k\displaystyle\sum_{d \mid n}\mu(d) = \sum_{d \mid n'} = \sum_{i = 0}^k C_k^i\cdot(-1) ^ i = (1 + (-1))^k

根据二项式定理,易知该式子的值在 k=1k = 1 即 n=1n = 1 是值为 11 否则为 00 , 这也同时证明了 ∑d∣nμ(d)=[n=1]=ε(n)\displaystyle\sum_{d \mid n}\mu(d) = \left[ n = 1\right] = \varepsilon(n) 以及 μ∗1=ε\mu * 1 = \varepsilon

例题

Acwing215 Zap


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