欧拉函数

欧拉函数

互质

在介绍欧拉函数之前，要先看一个概念-互质。互质是公约数只有 1 的的两个数。如果 $a \equiv 1 \pmod b$，那么 a 和 b 互质。 在约数那章已经说过了，算术基本定理为 $N = p_1^{a_1}p_2^{a_2}\cdots p_n^{a_n}$。好的，在知道了这两个概念后就可以介绍欧拉函数了。

欧拉函数定义

$1 \sim N$ 中与 $N$ 互质的数的个数被称为欧拉函数，记为 $\phi(N)$。可表示为

$$\phi(N) = N * {p_1 - 1 \over p_1} * {p_2 - 1\over p_2} * \cdots * {p_m - 1\over p_m}$$

如何求欧拉函数

简单的分解质因数可以做到求解这个函数。也可以用线性筛的方法求解从 $1 \sim N$ 每个数的欧拉函数。

分解质因数求欧拉函数

分析这个函数，求出 $N$ 所有质数即可求出它的欧拉函数。

#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>
using namespace std;

int eulor(int m){
    int res = m;
    for (int i = 2; i <= m / i; i ++){
        if (m % i == 0){
            while (m % i == 0)
                m /= i;
            res = res / i * (i - 1); // 先/后×，避免乘法溢出
        }
    }
    if ( m > 1) res = res / m * (m - 1);
    return res;
}

int main(){
    int n; cin >> n;
    while (n -- ){
        int m; cin >> m;
        cout << eulor(m) << endl;
    }
}

时间复杂度分析

和分解质因数一样，eulor 函数的时间复杂度为 $O(\sqrt m)$，总时间复杂度 $O(n \sqrt m)$。

线性筛求欧拉函数

线性筛不是求单个数的欧拉函数，它可以求出 $1 \sim n$ 中所有数的欧拉函数。 下面我们分析一下欧拉函数在线性增长的情况。

• 如果 $i$ 是质数，那么由公式可以看出从$1 \sim i$ 中为它互质的数 $i-1$。

• 如果 i % p[j] != 0，$i$ 是 $i * p[j]$ 的质因子，那么

$$\\ \phi(p[j] * i) = p[j] * i * {q_1 - 1\over q_1} * \cdots * {q_n - 1\over q_n} * {p[j] - 1 \over p[j]}$$

• 如果 i % p[j] == 0，$i$ 不是 $i * p[j]$ 的质因子，那么

$$\phi(p[j] * i) = p[j] * i * {q_1 - 1\over q_1} * \cdots * {q_n - 1\over q_n}$$

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int N = 1e6 + 10;
int p[N], phi[N], cnt;
bool tou[N];

void eulor(int n){
    phi[1] = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i ++){
        if (!tou[i]) {
            p[cnt++] = i;
            phi[i] = i - 1;
        }
        for (int j = 0; p[j] <= n / i; j ++){
            tou[p[j] * i] = true;
            if (i % p[j] == 0){
                phi[i * p[j]] = p[j] * phi[i];        
                break;
            }
            phi[i * p[j]] = (p[j] - 1) * phi[i];
        }
    }  
}

int main(){
    int n; cin >> n;
    eulor(n);
    long long res = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i ++)
        res += phi[i];
    cout << res;
}

时间复杂度分析

同线性筛一样 $O(n)$。

欧拉函数总结

欧拉函数是求互质的数的个数，至于具体的使用场景，等以后发现了补充。