GCD Extreme (Hard)
题目描述
Let $G(n)=\sum_{i=1}^n \sum_{j=i+1}^n (i, j)$.
For example, $G(1)=0, \ G(2)=(1, 2)=1, \ G(3)=(1, 2)+(1, 3)+(2, 3)=3$.
Given $N$, find $G(N)$ modulo $2^{64}$.
题意概述
令$G(n)=\sum_{i=1}^n \sum_{j=i+1}^n (i, j)$。给定$N$,求$G(N) \bmod 2^{64}$。
数据范围:$1 \le N \le 235711131719$。
算法分析
推式子
$$
\begin{align}
G(n)&=\sum_{i=1}^n \sum_{j=i+1}^n (i, j)=\sum_{i=2}^n \sum_{j=1}^{i-1} (i, j) \\
&=\sum_{d=1}^n d \sum_{i=2}^{\lfloor n/d \rfloor} \sum_{j=1}^{i-1} [(i, j)=1] \\
&=\sum_{d=1}^n d \sum_{i=2}^{\lfloor n/d \rfloor} \varphi(i)
\end{align}
$$
令$S(n)=\sum_{i=1}^n \varphi(i)$。由于$\varphi \ast 1=I$,因此
$$
\begin{align}
\sum_{i=1}^n (\varphi \ast 1)(i)&={n(n+1) \over 2} \\
&=\sum_{i=1}^n \sum_{j \mid i} \varphi(j) \\
&=\sum_{ij \le n} \varphi(j) \\
&=\sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^{\lfloor n/i \rfloor} \varphi(j) \\
&=\sum_{i=1}^n S\left(\left\lfloor {n \over i} \right\rfloor\right)
\end{align}
$$
那么
$$
\begin{align}
S(n)&={n(n+1) \over 2}-\sum_{i=2}^n S\left(\left\lfloor {n \over i} \right\rfloor\right) \\
G(n)&=\sum_{d=1}^n d \cdot \left(S\left(\left\lfloor {n \over d} \right\rfloor\right)-1\right)
\end{align}
$$
接下来就可以利用分块的技巧计算。
代码
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