这是本文档旧的修订版!
数论分块的目的是:将有除法下取整的式子,从O(n)优化到O(sqrt(n))。
它就是换了一种计数顺序,从纵向计数改为横向计数(Fubini原理),将n/d相同的数打包同时计算。
直观表示就是:我们看下面这个双曲线(的一支)图片,思考双曲线下整点的划分。
图中共分为了5块,这5块整点的最大纵坐标都相同。
数论分块的核心代码很简单:
int l=1,r; while(l<=n) { r=min(n,n/(n/l)); //中间的部分要具体问题具体分析 l=r+1; }
这是因为,C语言的整数除法,恰好全部都是向下取整。(这里用中括号表示)
因此,关键就在于表达式n/(n/l)究竟是什么。即这个表达式:
$$\left[\frac{n}{\left[\frac{n}{l}\right]}\right]$$
在“分块”计算的时候,对于任意一个d,我们需要找到一个最大的r,使得n/d=n/r。目的是确定d落入了哪一块。
我们指出:表达式n/(n/d),恰好就是使得n/d不变的那个最大的r。
因此每次将l更新为r+1,就是下一个左端点。上面n/(n/l)的式子就是为了寻找图中绿色的点,即每一块的右端点。
首先,n/(n/l)不比给定的l小。这是显然的,把里面的取整符号放缩掉就行。
$$\left[\frac{n}{\left[\frac{n}{l}\right]}\right]\geqslant\left[\frac{n}{\frac{n}{l}}\right]=l$$
然后,n/(n/l)代入(迭代)原式,同理有n/(n/(n/l))不比n/l小。
但是由于没取整前,图形是双曲线,n/x这个函数是单调不增的。对于不同的x大小关系,代入函数后大小关系相反。这只能表明n/(n/(n/l))与n/l相等。即:
$$\left[\frac{n}{\left[\frac{n}{\left[\frac{n}{l}\right]}\right]}\right]=\left[\frac{n}{l}\right]$$
这说明,l和n/(n/l)一定位于同一块中。
怎么说明n/(n/l)是右端点?只要说明下一个邻居已经不落在区间里就行了。根据带余除法,有:
$$\begin{aligned}n&=x\left[\frac{n}{x}\right]+r_1\\&=x\left(1+\left[\frac{n}{x}\right]\right)-(x-r_1)\\&=\left(1+\left[\frac{n}{x}\right]\right)\left[\frac{n}{1+\left[\frac{n}{x}\right]}\right]+r_2\end{aligned}$$
其中,r_2非负,x-r_1是严格大于0的正整数。这样,我们就证明了:
$$x\left(1+\left[\frac{n}{x}\right]\right)<\left(1+\left[\frac{n}{x}\right]\right)\left[\frac{n}{1+\left[\frac{n}{x}\right]}\right]$$
代入x为n/l:
$$\left[\frac{n}{l}\right]<\left[\frac{n}{1+\left[\frac{n}{\left[\frac{n}{l}\right]}\right]}\right]$$
n/l严格比n/(1+(n/(n/l)))小,因此原命题也就证完了。
上面的讨论,解决了n/d,在下方的d不断增加的情况下,什么时候函数值发生突变。并且,这种增加是单向的,计算时只能让d从小往大变化,因为采用这种方法无法找到左端点。
那么如果下方的d不变,上方的n变化,会发生什么?答案是变简单了。
考虑表达式:n和n-1除以d的商取整之差。
$$\left[\frac{n}{d}\right]-\left[\frac{n-1}{d}\right]$$
根据带余除法的定义,有:
$$n=d\left[\frac{n}{d}\right]+r_1$$ $$n-1=d\left[\frac{n-1}{d}\right]+r_2$$
r_1和r_2是余数,都在0到d-1之间。因此这个表达式,仅当d整除n的时候相差1,其他时候均为0。
一个狄利克雷卷积式的推广,本式有两个变量n和a。当n和a相等的时候,就是一个标准的狄利克雷卷积式。
$$ \sum_{i=1}^{n}(i,a)=\sum_{d|a}\left[\frac{n}{d}\right]\varphi(d) $$
它的推论是:
$$\sum_{i=l}^{r}(i,a)=\sum_{d|a}\left(\left[\frac{r}{d}\right]-\left[\frac{l-1}{d}\right]\right)\varphi(d)$$
由狄利克雷卷积$\varphi*1=n$,有:
$$ (n,a)=\sum_{d|(a,n)}\varphi(d)=\sum_{d|a \&\& d|n}\varphi(d) $$
根据上面的讨论,有:
$$ (n,a)=\sum_{d|a}\left(\left[\frac{n}{d}\right]-\left[\frac{n-1}{d}\right]\right)\varphi(d) $$
利用数学归纳法对n归纳,或两边同时计算部分和,就证明了原命题。
计算:
$$ \sum_{i=1}^n(\left[^3\sqrt{i}\right],i)\quad\mod 998244353\quad n\leq10^{21} $$
分析这个问题。完全立方数将1到n划分为许许多多左闭右开的整数区间,那么最后一个区间是不完全的。因此对立方数进行划分,并单独提取出最后一个不完全区间:
$$ \sum^n_{i=1}(\left[^3\sqrt{i}\right],i)=\sum_{i=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\sum_{j=i^3}^{(i+1)^3-1}(i,j)+\sum^n_{i=\left[^3\sqrt{n}\right]^3}(\left[^3\sqrt{n}\right],i) $$
根据引理,对于原式右半部分的内容我们便可以通过数论分块在$O(^6\sqrt{n})$的时间内解决。
$$ \sum^n_{i=\left[^3\sqrt{n}\right]^3}(\left[^3\sqrt{n}\right],i)=\sum_{d|\left[^3\sqrt{n}\right]}\left(\left[\frac{n}{d}\right]-\left[\frac{\left[^3\sqrt{n}\right]^3-1}{d}\right]\right)\varphi(d) $$
继续展开左边的式子。由求和式中d整除i,设变量x满足$xd=i$,交换求和次序并去取整号整理得:
$$ \begin{aligned} &\sum_{i=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\sum_{j=i^3}^{(i+1)^3-1}(i,j)\\ =&\sum_{i=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\sum_{d|i}\left(\left[\frac{(i+1)^3-1}{d}\right]-\left[\frac{i^3-1}{d}\right]\right)\varphi(d)\\ =&\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)\sum_{x=1}^{\left[\frac{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}{d}\right]}\left(\left[\frac{(xd+1)^3-1}{d}\right]-\left[\frac{(xd)^3-1}{d}\right]\right)\\ =&\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)\sum_{x=1}^{\left[\frac{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}{d}\right]}\left(3dx^2+3x+1\right) \end{aligned} $$
接下来就是平方和公式和等差数列求和,设常数y为:
$$y=\left[\frac{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}{d}\right]$$
得:
$$ \sum_{i=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\sum_{j=i^3}^{(i+1)^3-1}(i,j)=\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)d\frac{y(y+1)(2y+1)}{2}+\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)(\frac{y(y+1)}{2}+y) $$
$y$也是一个整除形式,故依旧可以用数论分块维护。总和式为:
$$ \sum^n_{i=1}(\left[^3\sqrt{i}\right],i)=\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)d\frac{y(y+1)(2y+1)}{2}+\sum_{d=1}^{\left[^3\sqrt{n}\right]-1}\varphi(d)(\frac{y(y+1)}{2}+y)+\sum_{d|\left[^3\sqrt{n}\right]}\left(\left[\frac{n}{d}\right]-\left[\frac{\left[^3\sqrt{n}\right]^3-1}{d}\right]\right)\varphi(d) $$
通过$O(^3\sqrt{n})$预处理出$\sum \varphi(i)i$和$\sum \varphi(i)$,就可以在$O(^{6}\sqrt{n})$的时间内处理每一组询问了。总时间复杂度$O(^3\sqrt{n}+^{6}\sqrt{n}*T)$
注意,读入要用__int128,但是在开数组的时候都要开int,否则会爆空间。