感觉这题真的特别有意思,涉及了 OI 中很多非常有意思、非常美的手法,比如——平衡两部分的时间复杂度、\(n \ln n\) 的那个 Trick等等,真的一种暴力的美学。

题目大意:

多组询问,求 \(f_{n,m}=\sum\limits_{i=1}^n\sum\limits_{j=1}^m \varphi(i\cdot j)\),\(1 \le n,m \le 1e5\),\(T \le 1e4\).

解法:

这里用一个套路一点的式子:\(\varphi(i\cdot j)=\frac{\varphi(i)\cdot \varphi(j)\cdot \gcd(i,j)}{\varphi(\gcd(i,j))}\),于是我们可以得到:

\[f_{n,m}=\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^m \frac{\varphi(i)\cdot \varphi(j)\cdot \gcd(i,j)}{\varphi(\gcd(i,j))}
\]

运用上面那个式子的意义在于现在所有的参数都在值域 \([1,\min(n,m)]\) 之内了,于是我们可以将相同的东西提出来,也就是我上一篇博客中提到的那种方法,得到:

\[f_{n,m}=\sum_{d=1}^{\min(n,m)} \frac{d}{\varphi(d)} \sum_{i=1}^{\left\lfloor\frac{n}{d}\right\rfloor} \sum_{j=1}^{\left\lfloor\frac{m}{d}\right\rfloor}\varepsilon\left(\gcd(i,j)\right)\varphi(id)\varphi(jd)
\]

运用莫比乌斯反演得的意义在于,它把条件式又转化为了贡献式,使它可以快速球和,于是我们运用莫反,并将 \(\mu\) 提出来:

\[f_{n,m}=\sum_{x=1}^{\min(n,m)}\frac{x}{\varphi(x)}\sum_{y=1}^{\left\lfloor \frac{\min(n,m)}{x}\right\rfloor}\mu(y)\sum_{i=1}^{\left \lfloor \frac{n}{xy} \right \rfloor}\sum_{j=1}^{\left \lfloor \frac{m}{xy} \right \rfloor} \varphi(ixy)\varphi(jxy)
\]

遇到这样挺极致的情况,我们可以提出一个 \(T=xy\),然后枚举 \(T\) 的因数,以期实现莫反/调和级数的效果。得到:

\[f_{n,m}=\sum_{T=1}^{\min(n,m)} \left(\sum_{x|T} \frac{x}{\varphi(x)} \mu\left(\frac{T}{x}\right)\right)\cdot \left(\sum_{i=1}^{\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor}\varphi(iT)\right)\cdot \left(\sum_{j=1}^{\left \lfloor \frac{m}{T} \right \rfloor}\varphi(jT)\right)
\]

我们设 \(g(T)=\sum_{x|T} \frac{x}{\varphi(x)} \mu(\frac{T}{x})\),\(h(n,T)=\sum_{i=1}^{\left \lfloor n \right \rfloor}\varphi(iT)\),于是:

\[f_{n,m}=\sum_{T=1}^{\min(n,m)}g(T)\cdot h(\left\lfloor \frac{n}{T} \right\rfloor,T)\cdot h(\left\lfloor \frac{m}{T} \right\rfloor,T)
\]

注意到 \(g\) 中,\(\sum\limits x \le n \ln n\);\(h\) 中,\(nT \le n \ln n\),所以这两个东西都可以用调和级数预处理出来,于是我们有了一个 \(\Theta(nT)\) 的做法,这是调和级数的美。

考虑继续优化。因为右手边的东西含有下取整,所以我们考虑整除分块;但是这个整除分块中 \(h\) 函数同时含有这两种参数,所以我们考虑前缀和优化:

\[t_{n,m,d}=\sum_{i=1}^d g(i)\cdot g(n,i) \cdot g(m,i)
\]

这个显然过于庞大无法预处理,并且没什么办法快速求值;一旦预处理,询问只要 \(\Theta(\sqrt n)\),但是预处理会超时;一旦不预处理,那么询问会超时,所以我们考虑 平衡两部分时间复杂度

具体来说,我们预处理 \(n\le S\) 且 \(m \le S\),的部分,复杂度 \(nS^2\);查询的时候我们暴力查询 \(\left[ 1, \left\lceil \frac{\min(n,m)}{S}\right\rceil \right]\) 的部分;其余的因为 \(\left \lfloor \frac{n}{T} \right \rfloor\) 都小于等于 \(S\),所以可以整除分块了查询。

总的时间复杂度就等于 \(\gamma = n \ln n + nS^2+T\cdot\left( \sqrt S + \frac{n}{S}\right)\),当 \(\frac{\partial \gamma}{\partial S}=2nS-\frac{Tn}{S^2}+\frac{T}{2\sqrt S}=0\) 时最优,大概是 \(S=50\),并且总的可以在 \(0.5s\) 之内跑出来,这是 平衡之美

代码:https://www.luogu.com.cn/paste/hxjugkts.

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