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P3768 简单的数学题

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P3768 简单的数学题

题意

给定 nn 求:
i=1nj=1nijgcd(i,j)\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^nij\gcd(i,j)

正文

性质:
n=dnφ(d)n=\sum_{d|n}\varphi(d)
那么:
i=1nj=1nijgcd(i,j)=i=1nj=1nijdgcd(i,j)φ(d)=d=1nφ(d)i=1nj=1n[gcd(i,j)=d]ij=d=1nφ(d)i=1ndj=1nd(id)(jd)=d=1nφ(d)d2i=1ndj=1ndij=d=1nφ(d)d2(i=1ndi)2\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^nij\gcd(i,j)\\ =\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^nij\sum_{d|\gcd(i,j)}\varphi(d)\\ =\sum_{d=1}^n\varphi(d)\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^n[\gcd(i,j)=d]ij\\ =\sum_{d=1}^n\varphi(d)\sum_{i=1}^{\lfloor\frac nd\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac nd\rfloor}(id)(jd)\\ =\sum_{d=1}^n\varphi(d)d^2\sum_{i=1}^{\lfloor\frac nd\rfloor}\sum_{j=1}^{\lfloor\frac nd\rfloor}ij\\ =\sum_{d=1}^n\varphi(d)d^2(\sum_{i=1}^{\lfloor\frac nd\rfloor}i)^2\\
考虑整除分块,之后就是如何求 φ(d)d2\varphi(d)d^2 的前缀和。考虑杜教筛。
fg=dxf(d)g(xd)g(1)S(n)=i=1n(fg)(i)d=2ng(d)S(nd)f*g=\sum_{d|x} f(d)\cdot g(\frac xd)\\ g(1)S(n)=\sum_{i=1}^n(f*g)(i)-\sum_{d=2}^ng(d)S(\lfloor\frac nd\rfloor)
那么设 g(i)=i2g(i)=i^2,此时的 gg 为完全积性函数,同时
(fg)(x)=dxf(d)g(xd)=dxφ(d)d2x2d2=x2dxφ(d)=x3(f*g)(x)\\ =\sum_{d|x}f(d)\cdot g(\frac xd)\\ =\sum_{d|x}\varphi(d)d^2\frac{x^2}{d^2}\\ =x^2\sum_{d|x}\varphi(d)\\ =x^3\\ S(n)=(i=1ni3)d=2nd2S(nd)S(n)=(\sum_{i=1}^n i^3)-\sum_{d=2}^nd^2S(\lfloor\frac nd\rfloor)
接下来就容易做了。

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