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21 Days Training // Day 1~4

Posted on 2025年7月29日2025年7月29日 By c2022zyh 21 Days Training // Day 1~4无评论

0. gcdsum

Notice that the target function g(n) satisfies g(n)=g(n-1)+\sum_{i=1}^{n-1} \gcd(i,n)

So, for g(n), if we get the value of g(n-1) and h(n)=\sum_{i=1}^{n-1}{\gcd(i,n)}, we can get g(n) immediately.
Now we need to calculate the value of h(n)

Construct f(n)=h(n)+n=\sum_{i=1}^n{\gcd(i,n)}

Notice that

The function is productive : f(ab)=f(a)f(b)
For a prime : f(p)=2p+1
For the power of a prime : f(p^q)=p^q+q(p-1)^{(q-1)}

Here, p is a prime, and \gcd(a,b)=1

Note

(I can\’t proof statement 1, can you help me?)

Then, for n=\Pi_{i=1}^k{p_i^{q_i}}

Use f(n)=\Pi_{i=1}^kf(p_i^{q_i}) can calculate h(n) faster.

Here p_i are all primes.

Code :

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const long long SLIM=100000;
long long LIM;

long long fsum[SLIM+10], gsum[SLIM+10];
bitset<SLIM+10> prime, vis;
long long lprime[SLIM+10], primelist[80000], primecount;
vector<long long> divs;
map<long long, long long> pfac;
long long i,j,k,pm,pexp;
long long part;

long long qkpow(long long a, long long e) {
    if (e==0) return 1;
    if (e==1) return a;
    long long hf=qkpow(a, e/2);
    if (e%2) return hf*hf*a;
    return hf*hf;
}

void preprocess() {
    // prime sieve
    vis[2]=true, prime[2]=true;
    primelist[primecount++]=2;
    lprime[2]=1;
    for (j=4;j<=LIM+10;j+=2) {
        vis[j]=true, prime[j]=false;
        lprime[j]=1;
    }
    for (i=3;i<=LIM+10;i++) {
        if (vis[i]) continue;
        vis[i]=true;
        prime[i]=true;
        lprime[i]=++primecount;
        primelist[primecount-1]=i;
        for (j=2*i;j<=LIM+10;j+=i) {
            vis[j]=true, prime[j]=false;
            lprime[j]=(lprime[j]?lprime[j]:primecount);
        }
    }
    //end
    //fsum compute
    long long bk;
    pfac.clear();
    for (i=2;i<=LIM+10;i++) {
        if (prime[i]) {
            fsum[i]=2*i-1;
            continue;   
        }
        bk = i;
        pfac.clear();
        for (j=primelist[lprime[bk]-1];bk!=1;j=primelist[lprime[bk]-1]) {
            if (pfac.find(j)==pfac.end()) pfac[j]=0;
            while(!(bk%j)) pfac[j]++, bk/=j;
        }
        if (pfac.size()==1) {
            pm=(*pfac.begin()).first, pexp=(*pfac.begin()).second;
            fsum[i]+=qkpow(pm, pexp);
            part=qkpow(pm, pexp-1);
            fsum[i]+=pexp*(pm-1)*part;
        }
        else {
            divs.clear();
            for (map<long long, long long>::iterator it=pfac.begin();it!=pfac.end();it++) {
                divs.push_back(qkpow(it->first, it->second));
            }
            fsum[i]=1;
            for (k=0;k<divs.size();k++) fsum[i]*=fsum[divs[k]];
        }
    }
    gsum[1]=0;

    for (i=2;i<=LIM+10;i++) gsum[i]=gsum[i-1]+fsum[i]-i;
    /*
    cout << "{";
    for (i=2;i<=LIM+10;i++) printf("%15lld,", gsum[i]);
    cout << "}";
    exit(0);
    */
}

int main() {
    freopen("table1.out", "w", stdout);
    long long T;cin >> T;
    vector<int> Qs;
    for (long long _T=0;_T<T;_T++) {
        long long X;cin >> X;
        LIM = max(LIM, X);
        Qs.push_back(X);
    }
    preprocess();
    for (int i=0;i<T;i++) cout << gsum[Qs[i]] << endl;
    return 0;
}

Optimizes :

  1. Set the limit to the maximum value of queries to reduce pre-process time. (Line 89)
  2. When finding primes, record each number\’s lowest prime factor (Line 30, 40), and when finding all prime factors of a number, use this info to accelerate (Line 54).

Complexity :

  • preprocess : about O(n)
  • single query : O(1)
  • Real time :
Such a joke :


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