歐拉函數

轉載一篇文章,學習哈歐拉函數。。。

歐拉函數的定義:E(k)=([1,n-1]中與n互質的整數個數).

     因爲任意正整數都可以唯一表示成如下形式:
                     k=p1^a1*p2^a2*……*pi^ai;(即分解質因數形式)
    可以推出:E(k)=(p1-1)(p2-1)……(pi-1)*(p1^(a1-1))(p2^(a2-1))……(pi^(ai-1))
               =k*(p1-1)(p2-1)……(pi-1)/(p1*p2*……pi);
               =k*(1-1/p1)*(1-1/p2)....(1-1/pk)
     ps:在程序中利用歐拉函數如下性質,可以快速求出歐拉函數的值(a爲N的質因素)
若(N%a==0 && (N/a)%a==0) 則有:E(N)=E(N/a)*a;

若(N%a==0 && (N/a)%a!=0) 則有:E(N)=E(N/a)*(a-1);

http://hi.baidu.com/ldante/blog/item/996b0ea131a7a58f46106443.html

第一次寫歐拉函數的題,琢磨的半天,最後還是隻能按照最開始的想法寫......
歐拉函數PHI(n)表示的是比n小,並且與n互質的正整數的個數(包括1)。比如:
PHI(1) = 1; PHI(2) = 1; PHI(3) = 2; PHI(4) = 2; ... PHI(9) = 6; ...

要計算一個正整數n的歐拉函數的方法如下:
1. 將n表示成素數的乘積: n = p1 ^ k1 * p2 ^ k2 * ... * pn ^ kn(這裏p1, p2, ..., pn是素數)
2. PHI(n) = (p1 ^ k1 - p1 ^ (k1 - 1)) * (p2 ^ k2 - p2 ^ (k2 - 1)) * ... *
(pn ^ kn - pn ^ (kn - 1))
              = Mult { pi ^ ki - pi ^ (ki -1) }

證明過程如下:
1. 容易想到:當n爲素數時,PHI(n) = n - 1。因爲每個比n小的正整數都和n互素。當n爲素數p的k次方時,PHI(n) = p ^ k - p ^ (k - 1)。因爲在1到n之間的正整數只有p的倍數和n不互素,這樣的數有(p ^ k / p)個。
2. 如果m和n互素,即GCD(m, n) = 1,那麼PHI(m * n) = PHI(m) * PHI(n)。用中國剩餘定理可以證明,證明的思路是建立這樣一種一一對應的關係(a, b) <-> x,其中正整數a小於m並且gcd(a, m) = 1,正整數b小於n並且gcd(b, n) = 1,正整數x小於m*n並且gcd(m*n, x) = 1。證明過程如下:
    1)根據中國剩餘定理,如果m和n互素,那麼關於未知量x的方程組x % m = a, x % n = b(0 <= a < m, 0 <= b < n),當0 <= x < m * n時存在並且僅存在一個解。容易證明,如果兩個這樣的方程組有相同的m, n但是a, b不同,那麼他們的解x一定不同。
    2)首先用反正法證明:gcd(m, a) = 1且gcd(n, b) = 1是gcd(m*n, x) = 1的必要條件:假設gcd(a, m) = k > 1,由此可得:a = a' * k; m = m' * k => x = k' * m + a = k' * k * m' + k * a' = k * (k' * m' + a'); 所以gcd(x, m) = k > 1。同理可證,如果gcd(b, n) > 1, 那麼gcd(x, n) > 1。所以x和m * n互素的必要條件是a和m互訴且b和n互素。
    3)接下來我們證明充分性:由x % m = a 可以得到x = k * m + a;由歐幾里德算法求最大公約數的過程(就不證明了,呵呵,還得想)可以知道gcd(x, m) = gcd(m, a) = 1;同理可得,如果gcd(n, b) = 1那麼gcd(x, n) = 1。接下來很容易得到:gcd(m*n, x) = 1。從而證明了充分性。
    4)上面三步的結論表明,數對(a, b)是可以和x建立起一一對應的關係的,所以有多少個不同的(a, b),就有多少個不同的x。
3.將n分解成素數乘積後,顯然對於任意的i, j(i != j)都滿足 pi ^ ki和pj ^ kj是互素的,於是可以的到上面的公式。

跟據上面的公式,可以得到關於歐拉函數的遞推關係:
假設素數p能整除n,那麼
如果p還能整除n / p, PHI(n) = PHI(n / p) * p;
如果p不能整除n / p, PHI(n) = PHI(n / p) * (p - 1);

下面是兩種求歐拉函數的不同編程方法:

/*==================================================*\
|遞推求歐拉函數phi(i)
\*==================================================*/
for (i = 1; i <= maxn; i++) phi[i] = i;
for (i = 2; i <= maxn; i += 2) phi[i] /= 2;
for (i = 3; i <= maxn; i += 2) if(phi[i] == i) {
for (j = i; j <= maxn; j += i)
phi[j] = phi[j] / i * (i - 1);


/*==================================================*\
|單獨求歐拉函數phi(x)
\*==================================================*/
unsigned euler(unsigned x)
{// 就是公式
unsigned i, res=x;
for (i = 2; i < (int)sqrt(x * 1.0) + 1; i++)
if(x%i==0) {
res = res / i * (i - 1);
while (x % i == 0) x /= i; // 保證i一定是素數
}
if (x > 1) res = res / x * (x - 1);
return res;
}

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