关于求解某数所有因子欧拉函数的复杂性分析

【命题】

对于给定数 \(n\) ,求解其所有因子的欧拉函数值

本文不讨论朴素做法,仅讨论两种较为常用的求解方法


【法一】

根据公式 \(\boldsymbol \varphi(n)=n\prod_{i=1}^m (1-{1\over p_i})\),其中 \(\displaystyle n=\prod_{i=1}^m p_i\)

对于 \(n\) 的每个因子 \(d\) ,暴力查询 \(\sqrt d\) 范围内的质因子,并筛除

最后核验 \(d\) 是否存在大于 \(\sqrt d\) 的质因子,若存在,则再计算该质因子贡献

复杂度为 \(O(\sqrt d)\)

int phid=d;
for(int i=2;i*i<=d;++i) if(d%i==0) {
    while(d%i==0) d/=i;
    phid=phid/i*(i-1);
}
if(d>1){
    phid=phid/d*(d-1);
}

复杂度计算时,考虑 \(n\) 不大于 \(\sqrt n\) 的因子最多 \(\sqrt n\) 个,故不小于 \(\sqrt n\) 的因子与之成对出现,也不超过 \(\sqrt n\)

故每当出现 \(n\) 一个不大于 \(\sqrt n\) 的因子 \(d\) 时,我们对称考虑与它成对出现的因子 \({n\over d}\)

\(\displaystyle \quad T(n)\)

\(\displaystyle \leq\sum_{d=1}^{\sqrt n}(\sqrt d+\sqrt {n\over d})\)

\(\displaystyle =O(\int_1^{\sqrt n}\sqrt x\text dx)+\sqrt n\cdot O(\int_1^{\sqrt n}{1\over \sqrt x}\text dx)\)

\(\displaystyle =O(x^{3\over 2}|_1^{\sqrt n})+\sqrt n\cdot O(x^{1\over 2}|_1^{\sqrt n})\)

\(\displaystyle =O(n^{3\over 4})+O(n^{3\over 4})\)

\(\displaystyle =O(n^{3\over 4})\)


【法一优化】

由于复杂度计算时,不难发现,小于 \(\sqrt n\) 部分的因子和大于 \(\sqrt n\) 部分的因子复杂度贡献均为 \(O(n^{3\over 4})\)

根据质数定理的推论,\(n\) 范围内质数个数大约为 \({n\over \ln n}\)

故计算 \(n\) 的欧拉函数,仅需枚举 \(\sqrt n\) 范围内的质数,复杂度为 \(O({\sqrt n\over \ln\sqrt n})=O({\sqrt n\over \log n})\)

总求解复杂度如下:

\(\displaystyle \quad T(n)\)

\(\displaystyle \leq \sum_{d=1}^{\sqrt n}({\sqrt d\over \ln \sqrt d}+{\sqrt{n\over d}\over \ln \sqrt{n\over d}})\)

\(\displaystyle =O(\int_1^{\sqrt n}{2\sqrt x\over \ln x}\text dx)+O(\int_1^{\sqrt n}{2\sqrt {n\over x}\over \ln {n\over x}}\text d{n\over x})\)

\(\displaystyle =2\cdot O({1\over 3}\cdot \int_1^{\sqrt n} {\text dx^{3\over 2}\over \ln x^{3\over 2}})\)

\(\displaystyle =O(Li(({\sqrt n})^{3\over 2}))\)

\(\displaystyle =O(Li(n^{3\over 4}))\)

由于 \(\displaystyle \lim_{n\to +\infty} {Li(n)\over ({n\over \ln n})}=1\)

\(\displaystyle T(n)=O({n^{3\over 4}\over \ln n^{3\over 4}})=O({n^{3\over 4}\over \log n})\)

若额外考虑打出 \(m\) 范围内的欧拉函数值,显然 \(m\leq \sqrt n\) 时,对渐进复杂度无影响

\(m>\sqrt n\) 时,第二部分求解 \({n\over d}\) 时,上界修改为 \({n\over m}\)

故求解复杂度优化为 \(\displaystyle O(m+{({n\over m})^{3\over 2}\over \log {n\over m}})\),其中 \(O(m)\) 为欧拉筛复杂度

由于欧拉筛往往被视为预处理,当计算上述结果 \(k\) 次时,每次的均摊复杂度为 \(\displaystyle O({m\over k}+{({n\over m})^{3\over 2}\over \log {n\over m}})\)

由均值不等式,当且仅当 \(\displaystyle {m\over k}={({n\over m})^{3\over 2}\over \log {n\over m}}\) ,即

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