线性筛学习笔记 - 质心论坛

$$\huge \rm 线性筛$$

$$\Large 筛素数$$

$\quad$考虑如何筛出 $n$ 以内的所有素数，显然有一个最简单的想法，即将所有已求出的质数的倍数标记，表示它们不为质数，并且从小到大遍历到数 $i$ 时，若它没有被标记，则 $i\in Prime$. 在此算法中，每个数都被自己所有本质不同的质因子筛了一次，所以总复杂度为 $\Theta(n\ln \ln n)$.

$\quad$对于上面的算法，算力的浪费主要在于很多数被多个质数筛过，我们考虑让每个数都只被自己的最小质因子筛。当遍历到 $i$ 时，枚举已经筛出来的所有质数，若当前枚举的质数为 $p_j$，显然 $i\times p_j$ 不为质数。另一方面，若 $p_j|i$，则 $i$ 中有一个质因子 $p_j$，那么后面枚举到 $p_{j+1}$ 的时候，$p_{j+1}$ 就一定不是 $i\times p_{j+1}$ 的最小质因子，所以此时要停止枚举质数。这样，每个数都只被自己的最小质因子筛过，所以总复杂度为 $\Theta(n)$.

for (int i = 2; i <= n; i++) {
    if (!vis[i]) p[++cnt] = i;
    for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= n; j++) {
        vis[i * p[j]] = true;
        if (i % p[j] == 0) break;
    }
}

$$\Large 筛欧拉函数$$

$\quad$考虑到 $\varphi$ 函数有如下性质：

$$\begin{cases}\varphi(p)=p-1,p\in Prime\\\varphi(ap)=\varphi(a)\times p,p\in Prime\\\varphi(ab)=\varphi(a)\times \varphi(b),(a,b)=1\end{cases}$$

对于 $\varphi(p),p\in Prime$，直接在筛出质数的同时求解即可。
对于 $\varphi(ap),p\in Prime$，在 $p_j|i$ 时，$\varphi(i\times p_j)=\varphi(i)\times p_j$.
对于 $\varphi(ab),(a,b)=1$，直接在筛去合数的时候 $\varphi(i\times p_j)=\varphi(i)\times \varphi(p_j)$.

for (int i = 2; i <= n; i++) {
    if (!vis[i]) p[++cnt] = i, phi[i] = i - 1;
    for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] <= n; j++) {
        vis[i * p[j]] = true;
        if (i % p[j] == 0) {
            phi[i * p[j]] = phi[i] * p[j];
            break;
        }
        phi[i * p[j]] = phi[i] * phi[p[j]];
    }
}

$$\Large 筛不同质因子的个数$$

$\quad$令 $\alpha(x)$ 表示 $x$ 不同质因子的个数，$\beta(x)$ 表示 $x$ 的所有最小质因子的乘积，考虑到 $\alpha$ 函数有如下性质：

$$\begin{cases}\alpha(p^k)=1,p\in Prime \\\alpha(ab)=\alpha(a)+\alpha(b),(a,b)=1\\\alpha(ap)=\alpha(\frac{a}{\beta(a)})+1,p为a的最小质因子\end{cases}$$

for (int i = 2; i <= n; i++) {
    if (!vis[i]) p[++cnt] = g[i]= i, f[i] = 1;
    for (int j = 1; j <= cnt && i * p[j] < N; j++) {
    vis[i * p[j]] = true;
    if (i % p[j] == 0) {
        g[i * p[j]] = g[i] * p[j];
        f[i * p[j]] = f[i / g[i]] + 1;
        break;
    } 
    g[i * p[j]] = p[j];
    f[i * p[j]] = f[i] + 1;
    } 
}

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