选自《洛谷深入浅出进阶篇》——欧拉函数+欧拉定理+扩展欧拉定理

news2024/10/6 22:20:55

欧拉函数：

欧拉函数定义： $\psi \left ( n \right ) =$ 1~n中与n互质的数的个数。比如 $\psi \left ( 12 \right ) = 4$
欧拉函数是积性函数：（也就是）当 n与m互质的时候： $\psi \left ( nm \right ) = \psi \left (n \right ) \psi \left(m \right )$
由算术基本定理，我们可以设n= $\prod_{i=1}^{m} p_{i}^{k_{i}}$ ，那么我们只要计算出 $\psi \left(p_{i}^{k_{i}} \right )$ 的取值就能求出 $\psi \left(n \right )$ 的取值。下面给出证明

$\psi \left(p_{i}^{k_{i}} \right )$ 的取值怎么求？也就是求1~ $p_{i}^{k_{i}}$ 中与 $p_{i}^{k_{i}}$ 互质的数的个数

我们可以求与 $p_{i}^{k_{i}}$ 不互质的数的个数，由于p是质数，所以与 $p_{i}^{k_{i}}$ 不互质的数一定是p的倍数

那么1~ $p_{i}^{k_{i}}$ 中，p的倍数就是 $\frac{p_{i}^{k_{i}}}{p}=p_{i}^{k_{i}-1}$ , 那么我们就知道与 $p_{i}^{k_{i}}$ 不互质的数的个数就是 $p_{i}^{k_{i}}-$ $p_{i}^{k_{i}-1 }$ 。也就是 $p_{i}^{k_{i}}\left(1-\frac{1}{p} \right )$

由于 $p_{i}^{k_{i}}$ 之间互质，且欧拉函数是一个积性函数，那么有

$\psi \left(n\right) = \prod_{i=1}^{m} \psi \left( p_{i}^{k_{i}} \right ) =\left(\prod_{i=1}^{m} p_{i}^{k_{i}} \right)\cdot \left(\prod_{i}^{m}\left(1-\frac{1}{p}\right)\right)=n\cdot \prod_{i}^{m}\left(1-\frac{1}{p} \right)$

所以我们只需要求出n的所有质因子p，然后求出 $1-\frac{1}{p}$ 的乘积即可

phi = n;
for(int i=2 ; i*i<=n ; i++ )
    if( n%i == 0 ){
    phi = phi/i * (i-1 )   // 1- 1/p == (p-1)/p 为了防止爆int，故意不写成phi*(i-1)/i
    while ( n%i==0 ) n/=i ;
   }
if(n!=1) phi =phi/n *(n-1);  //防止n有一个大于 sqrt（n）的质因子的情况

以上就是试除法求欧拉函数的板子，请牢牢记住，后面回经常用到。

下面介绍筛法求欧拉函数，可以以O（n）的时间来求2~n的欧拉函数。

const int N = 1e6 + 7;
int pri[N], phi[N], flag[N];
int tot;
int main() {
    phi[1]=1;
	for (int i = 2; i <= N; i++) {
		if (flag[i] == 0) {
			pri[tot++] = i;
			phi[i] = i - 1;
		}
		for (int j = 0; j < tot and pri[j] * i <= N; j++) {
			if (i % pri[j] == 0) {
				phi[i * pri[j]] = pri[j] * phi[i];
				flag[i * pri[j]] = 1;
				break;
			}
			else {
				flag[i * pri[j]] = 1;
				phi[i * pri[j]] = (pri[j] - 1) * pri[i];
			}
		}
	}
}

下面逐步分析这个板子：

首先我们需要写出一个线性筛的板子，然后根据欧拉函数的定义填充即可:

if (flag[i] == 0) {
			pri[tot++] = i;
			phi[i] = i - 1;
		}

这里很简单，当i是质数的时候，我们将i假如质数表，并且写上i的欧拉函数为i-1，phi[i]=i-1

for (int j = 0; j < tot and pri[j] * i <= N; j++) {
			if (i % pri[j] == 0) {
				phi[i * pri[j]] = pri[j] * phi[i];
				flag[i * pri[j]] = 1;
				break;
			}
			else {
				flag[i * pri[j]] = 1;
				phi[i * pri[j]] = (pri[j] - 1) * pri[i];
			}
		}