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Mobius Inversion

2022. 1. 23. 21:14수학

f(n)=d|ng(d)

이라고 하자. 이때 g(n)의 값을 구하고 싶다. 이때 적용되는 식이 뫼비우스 역공식이다.

g(n)=d|nf(d)μ(nd)

f가 곱셈적 함수이고 f(n)=d|ng(d)이면 g 역시 곱셈적 함수이다.

  • Notation

[P=k] : P=k일 때 1 아니면 0

ϵ(n) : [n=1]

d|nμ(d)=ϵ(n)

τ(n) : n의 약수의 개수

abgcd(a,b)=1라는 뜻

 

1.  ni=1mj=1gcd(i,j)

min(n,m)d=1dni=1mj=1[gcd(i,j)=d]

i=dp, j=dq이면

min(n,m)d=1d[nd]p=1[md]q=1[gcd(p,q)=1]

ϵ(gcd(p,q))=[gcd(p,q)=1]=s|gcd(p,q)μ(s)=s|p, s|qμ(s)

min(n,m)d=1d[nd]p=1[md]q=1s|p, s|qμ(s)

min(n,m)d=1d[nd]p=1[md]q=1min([nd], [md])s=1μ(s)[s|p][s|q]

[s|p][s|q]=1이면 [s|p]=[s|q]=1이므로 p=sα, q=sβ

min(n,m)d=1dmin([nd], [md])s=1μ(s)[nsd]α=1[msd]β=11

min(n,m)d=1dmin([nd], [md])s=1μ(s)[nsd][msd]

합을 간단히 만들자.

1dmin(n,m)

1smin([nd],[md])

ddsmin(n,m)

1dk=dsmin(n,m)

d|k가 성립해야 한다.

min(n,m)d=1min([nd], [md])s=1

는 다음과 같이 쓸 수 있다.

min(n,m)k=1min(n,m)d=1

d|k인 조건과 1dmin(n,m)으로 인해 아래와 같이 쓰인다.

min(n,m)k=1d|k

min(n,m)k=1[nk][mk]d|kdμ(kd)

좀 더 간단히 하면

n=d|nϕ(d)

ϕ(n)=d|ndμ(kd)

min(n,m)k=1[nk][mk]ϕ(k)

 

2.  ni=1mj=1lcm(i,j)

lcm(i,j)=ijgcd(i,j) 이므로

ni=1mj=1ijgcd(i,j)

min(n,m)d=1ni=1mj=1ijd[gcd(i,j)=d]

i=dp, j=dq라 두자.

min(n,m)d=1[nd]p=1[md]q=1dpq[gcd(p,q)=1]

ϵ(gcd(p,q))=[gcd(p,q)=1]=s|gcd(p,q)μ(s)=s|p, s|qμ(s)

min(n,m)d=1[nd]p=1[md]q=1dpqs|p, s|qμ(s)

min(n,m)d=1[nd]p=1[md]q=1dpqmin([nd], [md])s=1μ(s)[s|p][s|q]

min(n,m)d=1dmin([nd], [md])s=1μ(s)[nd]p=1[md]q=1pq[s|p][s|q]

[s|p][s|q]=1이면 [s|p]=[s|q]=1이므로 p=sα, q=sβ

min(n,m)d=1dmin([nd], [md])s=1μ(s)s2[nsd]α=1[msd]β=1αβ

min(n,m)d=1min([nd], [md])s=1dμ(s)s2[nsd]([nsd]+1)2[msd]([msd]+1)2

합을 간단히 만들면

min(n,m)k=1[nk]([nk]+1)2[mk]([mk]+1)2d|kkμ(kd)kd

min(n,m)k=1[nk]([nk]+1)2[mk]([mk]+1)2d|kkμ(d)d

 

f(n)=d|nnμ(d)d

f(n)n2=d|n1dμ(nd)

h(n)=f(n)n2=d|ng(d)μ(nd)   g(n)=1n

g가 곱셈적 함수이고 조건을 만족하므로 h 역시 곱셈적 함수이다.

g(pk)=ki=0h(pk)

g(pk)g(pk1)=h(pk)=f(pk)p2k

f(pk)=pkpk+1

 

3.  ni=1mj=1lcm(i,j)|μ(gcd(x,y))|

이것 역시 위와 같은 방식으로 정리하면 다음 식을 얻는다.

min(n,m)k=1[nk]([nk]+1)2[mk]([mk]+1)2d|kkμ(kd)kd|μ(d)|

h(n)=f(n)n2=d|ng(d)μ(nd)   g(n)=|μ(n)|n

d, μ(d)가 각각 곱셈적 함수이므로 g(n)역시 곱셈적 함수이다. 따라서 h(n) 역시 곱셈적 함수이다.

f(pk)=pk|μ(pk)|pk+1|μ(pk1)|

k=1,  f(p)=pp2

k=2,  f(p2)=p3

k3,  f(pk)=0

 

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