欧拉函数

                                     算法总结

 欧拉函数(Euler's totient function

 

欧拉函数的定义:

    在数论中,对于正整数N,少于或等于N ([1,N]),且与N互质的正整数(包括1)的个数,记作φ(n)。

     φ函数的值:

    φ(x)=x(1-1/p(1))(1-1/p(2))(1-1/p(3))(1-1/p(4))…..(1-1/p(n)) 其中p(1),p(2)…p(n)为x

的所有质因数;x是正整数; φ(1)=1(唯一和1互质的数,且小于等于1)。注意:每种质因数只有一个。

     例如:

         φ(10)=10×(1-1/2)×(1-1/5)=4;

         1 3 7 9

         φ(30)=30×(1-1/2)×(1-1/3)×(1-1/5)=8;

         φ(49)=49×(1-1/7)=42;

 

欧拉函数的性质:

(1)   p^k型欧拉函数:

若N是质数p(即N=p), φ(n)= φ(p)=p-p^(k-1)=p-1。

若N是质数p的k次幂(即N=p^k),φ(n)=p^k-p^(k-1)=(p-1)p^(k-1)。

(2)mn型欧拉函数

设n为正整数,以φ(n)表示不超过n且与n互素的正整数的个数,称为n的欧拉函数值。若m,n互质,φ(mn)=(m-1)(n-1)=φ(m)φ(n)。

(3)特殊性质:

若n为奇数时,φ(2n)=φ(n)。

对于任何两个互质 的正整数a,n(n>2)有:a^φ(n)=1 mod n (恒等于)此公式即 欧拉定理

当n=p 且 a与素数p互质(即:gcd(a,p)=1)则上式有: a^(p-1)=1 mod n (恒等于)此公式即 费马小定理

 

欧拉函数相关的证明:

(1)   p^k型的欧拉函数的证明:

对于给定的一个素数p: φ(p)=p-1 那么容易证明φ(n)=p^k-p^(k-1)

已知少于或等于p^k的正整数的个数为p^k-1,其中和p^k不互质的正整数有{ p×1,p×2,...,p×(p^(k-1)-1)},共计p^(k-1)-1个

故: φ(n) = p^k-1-(p^(k-1)-1)=p^k-p^(k-1)。

(2)   mn型的欧拉函数的证明:

因为:x=mn m与n互质(即:gcd(m,n)=1);根据中国剩余定理Z(x)和Z(m)×Z(n)之间存在一一映射,所以x的完全余数集(见下面参考)中的元素的个数Z(x)等于Z(m)×Z(n)元素的个数;而Z(m)×Z(n)= φ(m)φ(n)

故有: φ(mn) =φ(m)φ(n) 成立。

(3)任意正整数的欧拉函数的相关证明:

任意一个整数n都可以表示为其质因子的乘积:

 n=(p(1)*k(1)) *(p(2)*k(2)) *(p(3)*k(3))…(p(i)*k(i))*…*(p(I)*k(I)) 其中I为n 的质因子的个数。

根据(1)(2)的结论,很容易得出它的欧拉函数为:

φ(n)=n(1-1/p(1))(1-1/p(2))(1-1/p(3))(1-1/p(4))…..(1-1/p(i)) 其中I为n 的质因子的个数。

对于任意n>2,2|φ(n) 必定存在 p(i)-1是偶数

 

欧拉定理的相关证明:

(1)  令Z(n)={ X(1),X(2),…,X(φ(n)) }  S={ a*X(1) mod n, a*X(2) mod n ,…,a*X(φ(n)) mod n },则 Z(n)=S。

1)因为a与n互质(即:gcd(a,n)=1), X(i)(1≤i≤φ(n))与n互质(即:gcd(X(i),n)=1);所以

a*X(i)与n互质(即:gcd(a*X(i),n)=1),故 a*X(i) mod n ∈ Z(n)。

     2)若i≠j,那么 X(i)≠X(j) ,又有a与n互质(即:gcd(a,n)==1),则可得出: a*(X(i)) mod n ≠a*X(j) mod n (消去定律)。

(2)   a^(φ(n))*X(1)*X(2)*X(3)*…*X(φ(n)) mod n

=(a*X(1))*(a*X(2))*(a*X(3))*…*(a*X(φ(n))) mod n

=(a*X(1) mod n)*(a*X(2) mod n)*(a*X(3) mod n)*…*(a*X(φ(n)) mod n) mod n

=X(1)*X(2)*X(3)*…*X(φ(n)) mod n。

对比等式左右两端,因为X(i)(1≤i≤φ(n))与n互质(即:gcd(X(i),n)==1) ,

故: a^φ(n)=1 mod n (恒等于)成立。

 

费马小定理的相关证明:

若正整数 a与素数p互质,则有a^(p-1)=1 mod n(恒等于)

由于φ(p)=p-1 且 a^φ(n)=1 mod n ,又有此处的p==n;

故:a^(p-1)=1 mod n成立。

此定理可以用来简化幂的模运算:

例如: 计算 7^222的个位数,实际上是求7^222被10除的余数。

     且7与10互质,φ(10)=1,由欧拉定理知7^4= 1mod 10

     故7^222=(7^4)^55*(7^2)=>(1^55)*(7^2)=>49=>9 mod 10

 

欧拉函数的延伸:

于或等于n的数中,与n互质的数的总和为:φ(x) * x / 2  (n>1)。

 

相关知识参考:

 

完全余数集合:

定义小于 n 且和 n 互质的数构成的集合为 Z(n) ,称呼这个集合为 n 的完全余数集合。 显然 |Z(n)| =φ(n) 。

 

同余定理:

     如果 a mod b = c 则有(a+kb) mod b =c(k为非0整数)

     如果 a mod b = c 则有(ka) mod b =kc (k为正整数)

     (a+b) mod c =((a mod c)+(b mod c )) mod c;

     (a*b) mod c=((a mod c)*(b mod c)) mod c

 

 

 

欧拉函数模板

   (1)直接求小于或等于n,且与n互质的个数:

  int Euler(int n)

{

    int ret=n;

    for(int i=2;i<=sqrt(n);i++)

     if(n%i==0)

      {

        ret=ret/i*(i-1);//先进行除法防止溢出(ret=ret*(1-1/p(i)))

        while(n%i==0)

          n/=i;

     }

    if(n>1)

          ret=ret/n*(n-1);

        return ret;

}

 

筛选模板:求[1,n]之间每个数的质因数的个数

#define size 1000001

int euler[size];

void Init()

{

     memset(euler,0,sizeof(euler));

          euler[1]=1;

     for(int i=2;i<size;i++)

       if(!euler[i])

       for(int j=i;j<size;j+=i)

       {

              if(!euler[j])

               euler[j]=j;

               euler[j]=euler[j]/i*(i-1);//先进行除法是为了防止中间数据的溢出

         }

}

代码:

 1 /*#include<stdio.h>
 2 #include<math.h>
 3 int main(){
 4     int N,ans;
 5     while(~scanf("%d",&N)){
 6             ans=N;
 7         for(int i=2;i<=sqrt(N);i++)
 8             if(N%i==0){
 9                 ans=ans/i*(i-1);
10                 while(N%i==0)N/=i;
11             }
12             if(N>1)ans=ans/N*(N-1);
13        printf("%d\n",ans);
14     }
15     return 0;
16 }
17 */
18 #include<stdio.h>
19 #include<string.h>
20 const int MAXN=1000010;
21 int dp[MAXN];
22 int main(){
23     memset(dp,0,sizeof(dp));
24     dp[1]=1;
25     for(int i=2;i<MAXN;i++){
26         if(dp[i])continue;
27         for(int j=i;j<MAXN;j+=i){
28                 if(!dp[j])dp[j]=j;
29             dp[j]=dp[j]/i*(i-1);
30         }
31     }
32     int N;
33     while(~scanf("%d",&N))printf("%d\n",dp[N]);
34     return 0;
35 }

 

posted @ 2015-08-24 17:50 handsomecui 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏