题意
$定义f_n(k)=\sum_{l_1=1}^n\sum_{l_2=1}^n…\sum_{l_k=1}^n[gcd(l_1,l_2,…,l_k)]^2$
$$求解\sum_{i=2}^kf_{n(i)}$$
思路
$$f_n(k)=\sum_{l_1=1}^n\sum_{l_2=1}^n…\sum_{l_k=1}^n[gcd(l_1,l_2,…,l_k)]^2$$
$$=\sum_{t=1}^n\sum_{l_1=1}^n\sum_{l_2=1}^n…\sum_{l_k=1}^n[gcd(l_1,l_2,…,l_k)=t]*t^2$$
$$=\sum_{t=1}^{n}t^2\sum_{l_1=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }\sum_{l_2=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }…\sum_{l_k=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }[gcd(l_1,l_2,…,l_k)=1]$$
$$=\sum_{t=1}^{n}t^2\sum_{l_1=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }\sum_{l_2=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }…\sum_{l_k=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor }\sum_{dl_1\;…dl_k}\mu(d)$$
$$=\sum_{t=1}^nt^2\sum_{d=1}^{\left \lfloor \frac{n}{t} \right \rfloor}\mu(d)*\left \lfloor \frac{n}{dt} \right \rfloor^k$$
$令T=dt,则:$
$$f_n(k)=\sum_{T=1}^n\sum_{dT}\mu(d)\left \lfloor \frac{T}{d} \right \rfloor^2\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor^k$$
$$\sum_{i=2}^kf_n(i)=\sum_{i=2}^k\sum_{T=1}^n\sum_{dT}\mu(d)\left \lfloor \frac{T}{d} \right \rfloor^2\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor^i$$
$$\sum_{T=1}^n\sum_{dT}\mu(d)\left \lfloor \frac{T}{d} \right \rfloor^2\sum_{i=2}^k\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor^i$$
$令h(x)=\sum_{dx}\mu(d)\left \lfloor \frac{x}{d} \right \rfloor^2,设S(n)=\sum_{i=1}^nh(i),用杜教筛求出h的前缀和。$
$根据杜教筛求前缀和公式:$
$$S(n)=\frac{\sum_{i=1}^n(f*g)i-\sum_{i=2}^ng[i]S(\left \lfloor \frac{n}{i} \right \rfloor)}{g[1]}$$
$为了简便公式,设g=I,则(h*g)i=(I*\mu *id^2)i=i^2$
$则$ $$S(n)=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}-\sum_{i=2}^nS(\left \lfloor \frac{n}{i} \right \rfloor)$$
$对于\sum_{i=2}^k\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor^i,利用等比公式,p=\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor.$
$$\sum_{i=2}^k\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor^i=\frac{(\frac{n}{T})^2*[1-(\frac{n}{T})^{k-1}]}{1-\frac{n}{T}}$$
$注意\frac{n}{T}=1的情况,答案为k-1。$
$因为k很大,所以可以用欧拉降幂预先处理再作等比,再配合杜教筛求前缀和。$
$$\sum_{i=2}^nf_n(i)=\sum_{T=1}^nh(i)*\frac{(\frac{n}{T})^2*[1-(\frac{n}{T})^{k-1}]}{1-\frac{n}{T}}$$
$总时间复杂度为O(T(n^{\frac{2}{3}}+\sqrt n\log n))$
Code(MS)
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本文作者:jujimeizuo
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