C++杜教筛怎么低于线性复杂度求数论前缀和

老丽酱_8572

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2026-10-02

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杜教筛能低于线性,关键在于利用恒等式将 $ s(n) $ 拆解为 $ o(\sqrt{n}) $ 个不同 $ s(\lfloor n/k \rfloor) $ 子问题,结合记忆化哈希表避免重复计算,并预处理前 $ n^{2/3} $ 项,使总时间复杂度降至 $ o(n^{2/3}) $。

c++杜教筛怎么低于线性复杂度求数论前缀和

杜教筛为什么能低于线性?关键在整除分块 + 记忆化

杜教筛不是“凭空低于线性”,而是把求 S(n) = Σ_{i=1}^n f(i) 的问题,通过恒等式拆成若干个 S(⌊n/k⌋) 的子问题。由于 ⌊n/k⌋ 只有 O(√n) 个不同取值,再配合哈希表记忆化已算过的 S(m),总状态数被压到 O(n^{2/3})(合理实现下)。不记忆化就退化成指数级,这点很多人一开始没意识到。

常见错误是直接递归不判重——比如反复计算 S(1000) 十几次;或者用 vector 下标存 S(m),结果 m 动辄上亿,内存炸穿。

  • 必须用 unordered_map<long long ll></long> 或类似结构缓存 S(m)
  • 预处理前 n^{2/3} 项的前缀和(通常取 B = max(2000000, (int)pow(n, 2.0/3))),避免小值也递归
  • 递归入口加判:若 m ,直接查预处理数组,不进递归

怎么选辅助函数 g?看 f * g 是否易求前缀和

杜教筛核心公式是:(f * g)(n) = Σ_{d|n} f(d) g(n/d),然后推得:g(1)S(n) = Σ_{i=1}^n (f*g)(i) − Σ_{i=2}^n g(i) S(⌊n/i⌋)。所以 g 不是随便选的,它要满足两个条件:一是 g 自身前缀和好算,二是卷积 f * g 的前缀和更好算。

例如求 μ 前缀和(莫比乌斯函数):选 g = 1(常函数),因为 μ * 1 = ε(单位函数),而 Σ_{i=1}^n ε(i) = 1,右边第一项就是常数;g(i)=1 的前缀和也是 i,简单。

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  • f = φ(欧拉函数):选 g = 1,因为 φ * 1 = id,Σ id(i) = n(n+1)/2
  • f = μ²(平方因子自由数):选 g = μ,因为 μ² * μ = μ,而 Σ μ(i) 正是你要算的,不行;实际常用 g = 1,因 μ² * 1 = 2^ω(n) 不够好;更稳的是用 μ² = |μ| = Σ_{d²|n} μ(d) 转成枚举 d,但这就不是标准杜教筛了——说明不是所有函数都适合硬套

递归实现里 ⌊n/i⌋ 分块怎么写才不漏、不重、不慢?

别手写 for (int i = 1; i ,那是线性的。正确做法是枚举每个不同值 <code>v = ⌊n/i⌋ 对应的区间 [l, r],其中 r = n / (n / l)。这个公式本身没问题,但边界容易错:当 n 很大(如 1e12)时,int 会溢出,必须全程用 long long;另外 l 从 2 开始(因为 g(1)S(n) 单独提出来了),且要确保 r >= l。

典型错误是写成 for (ll l = 2, r; l 却忘了更新 <code>r,或者用 double 算 n/l 引入浮点误差。

  • 务必用 ll r = n / (n / l);,且 n / l 是整除,不会出错
  • 循环内先算 ll v = n / l;,再用 S(v) 递归,别重复算 n/l
  • 如果 v ,直接取预处理值;否则递归调用,但递归前检查 map 里有没有

为什么跑得还是慢?三个隐蔽开销常被忽略

理论复杂度漂亮,实测卡在 1e11 就 TLE?大概率栽在这三处:

  • unordered_map 插入和查询均摊 O(1),但常数极大;换成 gp_hash_table(GCC 扩展)或手写哈希表能快 2–3 倍;或者用 vector + 链地址法,但要注意内存分配策略
  • 预处理数组大小设太小(比如只预处理到 1e6),导致大量小 m 还走递归;设到 2e6 ~ 5e6 更稳
  • 没有剪枝:当 n == 1 时直接返回 f(1);当 n == 0 返回 0;这些基础 case 不判,栈深度无谓增加

最麻烦的是不同 f 对应的最优参数(预处理量、哈希策略、是否用迭代代替递归)都不一样,没法一套代码打天下。调试时建议先用 n = 1e6 打印所有递归进入的 m 值,看是不是集中在某几个数量级——如果是,说明分块或记忆化没生效。

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