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编辑人: 独留清风醉

calendar2025-09-16

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数论分块秘籍:快速计算与莫比乌斯反演的完美结合

在信息学奥赛 CSP-S 的备考过程中,数论分块是一个重要的专题。本文将为您详细解读如何快速计算$\sum_{i=1}^{n}\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的分块方法、分块边界的计算($k = n/(\lfloor\frac{n}{i}\rfloor)$),以及如何结合莫比乌斯反演处理复杂数论问题。

一、数论分块的基本思想

数论分块的核心在于利用整数除法的性质,将求和问题转化为区间求和,从而降低时间复杂度。

对于$\sum_{i=1}^{n}\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$,我们观察到$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的值在一定范围内是相同的。例如,当$i$从$1$到$n/2$时,$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的值会逐渐减小;当$i$从$n/2$到$n$时,$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的值又会逐渐增大。

二、分块边界的计算

分块边界$k = n/(\lfloor\frac{n}{i}\rfloor)$的计算是关键。假设当前$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor = t$,那么下一个分块的边界$k$就是使得$\lfloor\frac{n}{k}\rfloor$发生变化的值。

我们可以通过$k = n/t$来计算边界。这样,从$i$到$k-1$,$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的值都等于$t$。

三、快速计算的实现

对于每个分块,$\lfloor\frac{n}{i}\rfloor$的值相同,所以可以直接计算该分块的贡献。

假设当前分块的值为$t$,分块的起始位置为$i$,结束位置为$k-1$,那么该分块的贡献为$t \times (k - i)$。

通过不断更新分块的起始位置和值,累加每个分块的贡献,就可以在$O(\sqrt{n})$的时间复杂度内完成计算。

四、结合莫比乌斯反演

莫比乌斯反演是处理数论问题的有力工具。当遇到形如$\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}[\gcd(i,j) == k]$的问题时,可以通过莫比乌斯函数进行转化。

首先,将问题转化为$\sum_{d=1}^{\min(n,m)}\mu(d)\lfloor\frac{n}{kd}\rfloor\lfloor\frac{m}{kd}\rfloor$,然后利用数论分块的方法快速计算。

在备考过程中,要熟练掌握莫比乌斯函数的性质和计算方法,多做相关练习题,加深对这种结合应用的理解。

总之,数论分块是 CSP-S 备考中的重要内容。通过理解其基本思想,掌握分块边界的计算和快速计算方法,并结合莫比乌斯反演处理复杂问题,您将在考试中更有优势。希望本文能为您的备考提供有益的帮助,祝您取得优异的成绩!

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