Description:

定义函数

\[f _n (k) = \sum _{l _1 = 1} ^n \sum _{l _2 = 1} ^n \cdots \sum _{l _k = 1} ^n \gcd(l _1, l _2, \cdots, l _k) ^2
\]

现给定 \(n, k\),需要求出 \(\sum _{i = 2} ^k f _n (i)\),答案对 \(10 ^9 + 7\) 取模。

\(T\) 组数据。

\[1 \le T \le 10, 1 \le n \le 10 ^9, 2 \le k \le 10 ^{10 ^5}
\]

Solution:

\[\begin{aligned}
f_n(k) &= \sum_{d=1}^nd^2\sum_{x=1}^\frac{n}{d}\mu(x)\lfloor\frac{n}{dx}\rfloor ^k\\
&=\sum_{T=1}^n\lfloor\frac{n}{T}\rfloor^k\sum_{d|T}\mu(d)\left(\frac{T}{d}\right)^2
\end{aligned}
\]

答案为:

\[\begin{aligned}
&\sum_{i=2}^k\sum_{T=1}^n\lfloor\frac{n}{T}\rfloor^i\sum_{d|T}\mu(d)\left(\frac{T}{d}\right)^2\\
=&\sum_{T=1}^n\left(\sum_{i=2}^k\lfloor\frac{n}{T}\rfloor^i\right)\left(\sum_{d|T}\mu(d)\left(\frac{T}{d}\right)^2\right)
\end{aligned}
\]

前面整除分块+等比数列求和,后面杜教筛。

Code:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <fstream> typedef long long LL;
typedef unsigned long long uLL; #define SZ(x) ((int)x.size())
#define ALL(x) (x).begin(), (x).end()
#define MP(x, y) std::make_pair(x, y)
#define DEBUG(...) fprintf(stderr, __VA_ARGS__)
#define GO cerr << "GO" << endl; using namespace std; inline void proc_status()
{
ifstream t("/proc/self/status");
cerr << string(istreambuf_iterator<char>(t), istreambuf_iterator<char>()) << endl;
} template<class T> inline T read()
{
register T x(0);
register char c;
register int f(1);
while (!isdigit(c = getchar())) if (c == '-') f = -1;
while (x = (x << 1) + (x << 3) + (c xor 48), isdigit(c = getchar()));
return x * f;
} template<typename T> inline bool chkmin(T &a, T b) { return a > b ? a = b, 1 : 0; }
template<typename T> inline bool chkmax(T &a, T b) { return a < b ? a = b, 1 : 0; } const int maxN = 5e6;
const int mod = 1e9 + 7; LL qpow(LL a, LL b)
{
LL ans = 1;
while (b)
{
if (b & 1) ans = ans * a % mod;
a = a * a % mod;
b >>= 1;
}
return ans;
} LL k, kk;
LL calc(int x)
{
if (x == 1) return (kk - 1 + mod) % mod;
else return (LL)x * (qpow(x, k) - x + mod) % mod * qpow(x - 1, mod - 2) % mod;
} void Read()
{
k = kk = 0;
register char c;
while (!isdigit(c = getchar()));
while (k = (k * 10 + (c xor 48)) % (mod - 1), kk = (kk * 10 + (c xor 48)) % mod, isdigit(c = getchar()));
} vector<int> prime;
bool vis[maxN + 2];
int f[maxN + 2], inv6;
map<int, int> F; void Init()
{
f[1] = 1;
for (register int i = 2; i <= maxN; ++i)
{
if (!vis[i])
{
f[i] = ((LL)i * i - 1) % mod;
prime.push_back(i);
}
for (register int j = 0; j < SZ(prime) && prime[j] * i <= maxN; ++j)
{
int t = prime[j] * i;
vis[t] = 1;
if (i % prime[j] == 0)
{
f[t] = (LL)f[i] * prime[j] % mod * prime[j] % mod;
break;
}
else
f[t] = (LL)f[i] * f[prime[j]] % mod;
}
}
for (register int i = 2; i <= maxN; ++i)
f[i] += f[i - 1], f[i] %= mod;
} int Sum(int n)
{
if (n <= maxN) return f[n];
if (F.count(n)) return F[n];
LL ans = (LL)n * (n + 1) % mod * (2ll * n + 1) % mod * inv6 % mod;
for (int l = 2, r; l <= n; l = r + 1)
{
r = n / (n / l);
ans += mod - (LL)Sum(n / l) * (r - l + 1) % mod;
ans %= mod;
}
return F[n] = ans % mod;
} int main()
{
#ifndef ONLINE_JUDGE
freopen("xhc.in", "r", stdin);
freopen("xhc.out", "w", stdout);
#endif
int T = read<int>();
inv6 = qpow(6, mod - 2);
Init();
while (T--)
{
LL ans(0);
int n;
n = read<int>(), Read();
for (int l = 1, r; l <= n; l = r + 1)
{
r = n / (n / l);
ans += calc(n / r) * (Sum(r) - Sum(l - 1) + mod) % mod;
ans %= mod;
}
printf("%d\n", (int) ans);
}
return 0;
}

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