2022. 1. 23. 21:14ㆍ수학
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
a⊥b은 gcd(a,b)=1라는 뜻
1. n∑i=1m∑j=1gcd(i,j)
min(n,m)∑d=1dn∑i=1m∑j=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=1∑s|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.
1≤d≤min(n,m)
1≤s≤min([nd],[md])
d≤ds≤min(n,m)
1≤d≤k=ds≤min(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 1≤d≤min(n,m)으로 인해 아래와 같이 쓰인다.
min(n,m)∑k=1∑d|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. n∑i=1m∑j=1lcm(i,j)
lcm(i,j)=ijgcd(i,j) 이므로
n∑i=1m∑j=1ijgcd(i,j)
min(n,m)∑d=1n∑i=1m∑j=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=1dpq∑s|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)2∑d|kkμ(kd)kd
min(n,m)∑k=1[nk]([nk]+1)2[mk]([mk]+1)2∑d|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)=k∑i=0h(pk)
g(pk)−g(pk−1)=h(pk)=f(pk)p2k
f(pk)=pk−pk+1
3. n∑i=1m∑j=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)2∑d|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(pk−1)|
k=1, f(p)=p−p2
k=2, f(p2)=−p3
k≥3, f(pk)=0
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