Project Euler 193

发表于 2022-05-19 更新于 2023-07-03 分类于 Project Euler 阅读次数： 111 本文字数： 879 阅读时长 ≈ 1 分钟

Project Euler 193

题目

Squarefree Numbers

A positive integer $n$ is called squarefree, if no square of a prime divides $n$ , thus $1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11$ are squarefree, but not $4, 8, 9, 12$ .

How many squarefree numbers are there below $2^{50}$ ?

莫比乌斯函数

莫比乌斯函数，常用于容斥原理。

假设 $n$ 的分解质因数为 $n = p_{1}^{e_{1}} \cdot p_{2}^{e_{2}} \cdot \dots \cdot p_{k}^{e_{k}}$ ，那么莫比乌斯函数 $μ (n)$ 函数值定义如下：

$μ (n) = {\begin{aligned} 1 & if n = 1 \\ 0 & else if \exists m \in [1, k], e_{m} > 1 \\ (- 1)^{k} & else \end{aligned}$

解决方案

基于容斥原理的思想，我们首先假设所有数都是无平方因子数，然后减去有 $1$ 个质因子的 $e_{i} > 1$ 的数。在此减去过程中，会有 $2$ 两个质因子的 $e_{i} > 1$ 的质数被重复减去，因此需要补回。。。

为了不重不漏，有平方因子数完全不参与上面的过程。

那么发现，只要有偶数个质因子的就会被增加，有奇数个质因子就会被减去。莫比乌斯函数恰好帮助我们表示了整个过程。

使用线性筛计算莫比乌斯函数：如果筛出来的是一个新质因子，那么对原来的莫比乌斯函数值乘 $- 1$ 就可以得到新数的莫比乌斯函数值，如果是旧的质因子，那么直接赋 $0$ 。

最终答案为： $\sum_{k = 1}^{⌊ \sqrt{N} ⌋} ⌊ \frac{N}{k^{2}} ⌋ \cdot μ (k)$

代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
const ll N=1ll<<50;
const ll M=sqrt(N);
int mu[M+1];
int pr[M+1],v[M+1],m=0;
int main(){
    mu[1]=1;
    for(int i=2;i<=M;i++){
        if(v[i]==0){
            pr[++m]=i;v[i]=i;
            mu[i]=-1;
        }
        for(int j=1;j<=m;j++){
            if(pr[j]>v[i]||pr[j]>M/i) break;
            v[i*pr[j]]=pr[j];
            mu[i*pr[j]]=(v[i]==pr[j]?0:-mu[i]);
        }
    }
    ll ans=0;
    for(int i=1;i<=M;i++)
        ans+=1ll*mu[i]*(N/(1ll*i*i));
    printf("%lld\n",ans);
}