莫比乌斯函数的由来及推导

网上搜莫比乌斯函数大多都没有写莫比乌斯函数的由来,而是直接写的定义式,这里对莫比乌斯函数进行推导。
学习了狄利克雷卷积后,我们来看以下几个常见的积性函数:

常函数: I ( n ) = 1 I(n)=1 I(n)=1

单位元: ξ ( n ) = [ n = 1 ] ( ξ ∗ f = f ) \xi(n)=[n=1] (\xi*f=f) ξ(n)=[n=1](ξf=f)

莫比乌斯函数

对于一个数我们可以对其求逆,那么函数是否也可以求逆呢?答案是肯定的。我们看下面式子:

f − 1 ∗ f = ξ f^{-1}*f=\xi f1f=ξ

f − 1 f^{-1} f1即是我们要的 f f f的逆。

f − 1 ∗ f = x i f^{-1}*f=xi f1f=xi

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∀ n : ∑ d ∣ n f ( d ) ∗ f − 1 ( n d ) = [ n = 1 ] \forall n:\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})=[n=1]} n:dnf(d)f1(dn)=[n=1]

若n=1

f − 1 ( 1 ) = 1 f ( 1 ) f^{-1}(1)=\frac{1}{f(1)} f1(1)=f(1)1

若n = ̸ 1 =\not1 ≠1

f − 1 ( n ) ∗ f ( n ) = x i ( n ) f^{-1}(n)*f(n)=xi(n) f1(n)f(n)=xi(n)

f − 1 ( n ) ∗ f ( n ) = 0 f^{-1}(n)*f(n)=0 f1(n)f(n)=0

∑ d ∣ n f ( d ) ∗ f − 1 ( n d ) = 0 \sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}=0 dnf(d)f1(dn)=0

将d=1从公式中提出来:
f ( 1 ) ∗ f − 1 ( n ) + ∑ d ∣ n f ( d ) ∗ f − 1 ( n d ) = 0     ( d ̸ = 1 ) f(1)*f^{-1}(n)+\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}=0  (d\not=1) f(1)f1(n)+dnf(d)f1(dn)=0  (d̸=1)

f − 1 ( n ) = − ∑ d ∣ n f ( d ) ∗ f − 1 ( n d ) f ( 1 )     ( d ̸ = 1 ) f^{-1}(n)=\frac{-\sum_{d|n}{f(d)*f^{-1}(\frac{n}{d})}}{f(1)}  (d\not=1) f1(n)=f(1)dnf(d)f1(dn)  (d̸=1)

f f f的逆即为这个式子了

那么接下来我们试试把 f = I f=I f=I,n为质数的逆求出来试试:

f − 1 ( p ) = − f ( p ) ∗ f − 1 ( 1 ) f ( 1 ) = − 1 f^{-1}(p)=\frac{-f(p)*f^{-1}(1)}{f(1)}=-1 f1(p)=f(1)f(p)f1(1)=1

看看 p 2 p^2 p2:

f − 1 ( p 2 ) = − ( f ( p 2 ) ∗ f − 1 ( 1 ) + f ( p ) ∗ f − 1 ( p ) ) = 0 f^{-1}(p^2)=-(f(p^2)*f^{-1}(1)+f(p)*f^{-1}(p))=0 f1(p2)=(f(p2)f1(1)+f(p)f1(p))=0

推广到 p k p^k pk

f − 1 ( p k ) = − ∑ i = 1 k f ( p i ) ∗ f − 1 ( p k − i ) f^{-1}(p^k)=-\sum_{i=1}^{k}{f(p^i)*f^{-1}(p^{k-i})} f1(pk)=i=1kf(pi)f1(pki)

不难看出:当k>1时, f ( p k ) f(p^k) f(pk)就等于0了

所以对于合数 n = p 1 a 1 p 2 a 2 . . . p k a k n=p_1^{a_1}p_2^{a_2}...p_k^{a^k} n=p1a1p2a2...pkak

f − 1 ( n ) = f − 1 ( p 1 a 1 ) f − 1 ( p 2 a 2 ) . . . f − 1 ( p k a k ) f^{-1}(n)=f^{-1}(p_1^{a_1})f^{-1}(p_2^{a_2})...f^{-1}(p_k^{a_k}) f1(n)=f1(p1a1)f1(p2a2)...f1(pkak) ( I − 1 I^{-1} I1 为积性函数)

(积性函数的逆也是积性函数)
证明:
f f f为积性函数,有
f ( i ∗ j ) = f ( i ) ∗ f ( j ) f(i*j)=f(i)*f(j) f(ij)=f(i)f(j)
f ( i ∗ j ) ∗ f − 1 ( i ∗ j ) = ξ f(i*j)*f^{-1}(i*j)=\xi f(ij)f1(ij)=ξ
f ( i ) ∗ f − 1 ( i ) ∗ f ( j ) ∗ f − 1 ( j ) = ξ f(i)*f^{-1}(i)*f(j)*f^{-1}(j)=\xi f(i)f1(i)f(j)f1(j)=ξ
联立得:
f ( i ∗ j ) ∗ f − 1 ( i ∗ j ) = f ( i ) ∗ f − 1 ( i ) ∗ f ( j ) ∗ f − 1 ( j ) f(i*j)*f^{-1}(i*j)=f(i)*f^{-1}(i)*f(j)*f^{-1}(j) f(ij)f1(ij)=f(i)f1(i)f(j)f1(j)
f − 1 ( i ∗ j ) = f − 1 ( i ) ∗ f − 1 ( j ) f^{-1}(i*j)=f^{-1}(i)*f^{-1}(j) f1(ij)=f1(i)f1(j)
证毕

如果 a n > 1 a_n>1 an>1那么 f ( n ) = 0 f(n)=0 f(n)=0

f − 1 = μ ( I − 1 = μ ) f^{-1}=\mu(I^{-1}=\mu) f1=μ(I1=μ),则有:

μ = { 1       n = 1 ( − 1 ) k       a 1 = a 2 = . . . = a k = 1 0       o t h e r w i s e \mu = \begin{cases} 1    n=1\\ (-1)^k   a^1=a^2=...=a^k=1\\ 0    otherwise\\ \end{cases} μ=1   n=1(1)k   a1=a2=...=ak=10   otherwise

这个便是我们所知的莫比乌斯函数了。

积性函数的逆也是积性函数。

由我们的推导可知:

μ ∗ I = ξ   ξ ∗ f = f \mu*I=\xi \xi*f=f μI=ξ ξf=f

f ∗ I = g f*I=g fI=g

f ∗ I ∗ μ = g ∗ μ f*I*\mu=g*\mu fIμ=gμ
公式

  • g ( n ) = ∑ d ∣ n f ( d )   ⇐ ⇒   f ( n ) = ∑ d ∣ n μ ( d ) g ( n d ) g(n)=\sum_{d|n}{f(d)}  \Leftarrow\Rightarrow f(n)=\sum_{d|n}{\mu(d)g(\frac{n}{d})} g(n)=dnf(d)  f(n)=dnμ(d)g(dn)
  • g ( n ) = ∑ n ∣ d f ( d )   ⇐ ⇒   f ( n ) = ∑ n ∣ d μ ( d ) g ( d n ) g(n)=\sum_{n|d}{f(d)}  \Leftarrow\Rightarrow f(n)=\sum_{n|d}{\mu(d)g(\frac{d}{n})} g(n)=ndf(d)  f(n)=ndμ(d)g(nd)

证明
方法一:逆推

  • ∑ d ∣ n μ ( d ) g ( n d ) = ∑ d ∣ n μ ( d ) ∑ x ∣ n d f ( x ) = ∑ x ∣ n f ( x ) ∑ d ∣ n x μ ( d ) = ∑ x ∣ n f ( x ) [ n x = 1 ] = f ( n ) \sum_{d|n}{\mu(d)g(\frac{n}{d})}=\sum_{d|n}{\mu(d)\sum_{x|\frac{n}{d}}{f(x)}=\sum_{x|n}{f(x)}\sum_{d|\frac{n}{x}}{\mu(d)}=\sum_{x|n}{f(x)[\frac{n}{x}=1]}}=f(n) dnμ(d)g(dn)=dnμ(d)xdnf(x)=xnf(x)dxnμ(d)=xnf(x)[xn=1]=f(n)

  • 第二个式子同理

方法二:卷积法(因为好多人不知道 μ \mu μ的性质所以不知道这点)
g = f ∗ I g=f*I g=fI
g ∗ μ = f ∗ I ∗ μ g*\mu=f*I*\mu gμ=fIμ
g ∗ μ = f ∗ ξ g*\mu=f*\xi gμ=fξ
g ∗ μ = f g*\mu=f gμ=f
得证

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