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学习笔记:容斥原理和广义 Mobius 反演

参考文献​

容斥原理和广义 Mobius 反演(一)容斥原理和集合上的莫比乌斯反演

容斥原理和广义 Mobius 反演(二)莫比乌斯反演的推广

容斥原理和广义 Mobius 反演(三)广义莫比乌斯反演

前置知识​

狄利克雷卷积:Dirichlet 卷积和 Bell 级数

引入​

本文介绍容斥原理和广义的莫比乌斯反演,注意和拓扑学中的莫比乌斯变换和圆反演进行区分(虽然在更抽象的角度上它们也有联系,不过不在本文的讨论范围内)。阅读完本文,您将清楚莫比乌斯反演和容斥的关系,莫比乌斯反演和数论中的莫比乌斯反演是否一样,并学会一点基础的使用。

莫比乌斯变换能用来解决一些容斥相关的计数问题。本文只涉及理论,没有相关的题目,没有配图(懒得画),偏理论。

容斥原理​

定理(容斥):SS 为一个集合,Pi,i=1,2,⋯ ,mP_i,i=1,2,\cdots,m 是某个性质,Ai={x∈S:Pi(x)}A_i=\{x\in S:P_i(x)\} 为满足第 ii 个性质的元素构成的集合,则不满足全部性质的元素的个数为:

∣A1‾∩A2‾∩⋯∩Am‾∣=∣S∣−∑∣Ai∣+∑∣Ai∩Aj∣−∑∣Ai∩Aj∩Ak∣+⋯+∑(−1)m∣A1∩A2∩A3∩⋯∩Am∣|\overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_m}|=|S|-\sum|A_i|+\sum|A_i\cap A_j|-\sum|A_i\cap A_j\cap A_k|+\cdots+\sum(-1)^m|A_1\cap A_2\cap A_3\cap\cdots\cap A_m|

我们用韦恩图很好理解这一点。

证明:我们只需计算每个元素在右边式子中被计算的次数。

当 x∉A1‾∩A2‾∩⋯∩Am‾x\notin \overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_m} 时,假设 xx 满足其中的 kk 个性质,则 xx 被计算的次数为

(k0)−(k1)+(k2)−⋯+(−1)k(kk)=0\binom{k}{0}-\binom{k}{1}+\binom{k}{2}-\cdots+(-1)^k\binom{k}{k}=0

当 x∈A1‾∩A2‾∩⋯∩Am‾x\in \overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_m} 时,xx 只在 SS 中被计数一次。证毕

推论:

∣A1∪A2∪⋯∪Am∣=∑∣Ai∣−∑∣Ai∩Aj∣+∑∣Ai∩Aj∩Ak∣−⋯+(−1)m+1∣A1∩A2∩A3∩⋯∩Am∣|A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_m|=\sum|A_i|-\sum|A_i\cap A_j|+\sum|A_i\cap A_j\cap A_k|-\cdots+(-1)^{m+1}|A_1\cap A_2\cap A_3\cap\cdots\cap A_m|

证明:

∣A1∪A2∪⋯∪Am∣=∣S∣−∣A1∪A2∪⋯∪Am‾∣=∣S∣−∣A1‾∩A2‾∩⋯∩Am‾∣\begin{align} |A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_m| &=|S|-|\overline{A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_m}|\\ &=|S|-|\overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_m}| \end{align}

将上述

∣A1‾∩A2‾∩⋯∩Am‾∣=∣S∣−∑∣Ai∣+∑∣Ai∩Aj∣−∑∣Ai∩Aj∩Ak∣+⋯+∑(−1)m∣A1∩A2∩A3∩⋯∩Am∣|\overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_m}|=|S|-\sum|A_i|+\sum|A_i\cap A_j|-\sum|A_i\cap A_j\cap A_k|+\cdots+\sum(-1)^m|A_1\cap A_2\cap A_3\cap\cdots\cap A_m|

代入即得。

例一:

计算 x1+x2+x3+x4=18x_1+x_2+x_3+x_4=18 的整数解,其中

1≤x1≤5,−2≤x2≤4,0≤x3≤5,3≤x4≤91\leq x_1\leq 5,-2\leq x_2\leq 4,0\leq x_3\leq 5,3\leq x_4\leq 9

令 y1=x1−1,y2=x2+2,y3=x3,y4=x4−3y_1=x_1-1,y_2=x_2+2,y_3=x_3,y_4=x_4-3,使限制条件变为非负。

令 SS 为满足方程的非负解(即不考虑约束),AiA_i 表示违反第 ii 个约束的非负解,然后用容斥原理计算即可。

例二:

计算 1∼n1\sim n 的排列中,ii 不在第 ii 个位置的排列数 DnD_n

解:令 SS 为全排列数目,AiA_i 为 ii 在第 ii 个位置的排列。则任意 kk 个 AiA_i 的交的元素个数为

∣Ai1∩Ai2∩⋯∩Aik∣=(n−k)!|A_{i_1}\cap A_{i_2}\cap\cdots\cap A_{i_k}|=(n-k)!

由容斥原理

Dn=∣A1∩A2∩⋯∩An∣=∣S∣−∑∣Ai∣+⋯+(−1)m∣A1∩A2∩A3∩⋯∩Am∣=n!−(n−1)!+(n−2)!+⋯+(−1)n=n!(1−11!+12!+⋯+(−1)n1n!)\begin{align} D_n=|A_1\cap A_2\cap\cdots\cap A_n| &=|S|-\sum|A_i|+\cdots+(-1)^m|A_1\cap A_2\cap A_3\cap\cdots\cap A_m|\\ &=n!-(n-1)!+(n-2)!+\cdots+(-1)^n\\ &=n!(1-\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\cdots+(-1)^n\frac{1}{n!}) \end{align}

由上面结果可得到

e−1=lim⁡n→∞Dnn!Dn=(n−1)(Dn−1+Dn−1)Dn=nDn−1+(−1)n−2n!=(n0)Dn+(n1)Dn−1+⋯+(nn)D0e^{-1}=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{D_n}{n!}\\ D_n=(n-1)(D_{n-1}+D_{n-1})\\ D_n=nD_{n-1}+(-1)^{n-2}\\ n!=\binom{n}{0}D_n+\binom{n}{1}D_{n-1}+\cdots+\binom{n}{n}D_0

莫比乌斯反演​

集合上的莫比乌斯反演是容斥原理的泛化 ,即容斥原理可以看成它的特例。

令 Xn=1,2,3,⋯ ,nX_n={1,2,3,\cdots,n},F:Xn→RF:\mathcal{X}_n\rightarrow\R 是一个 XnX_n 的幂集到实数的映射,定义 G:P(Xn)→RG:\mathcal{P}(X_n)\rightarrow\R 为

G(K)=∑L⊆KF(L),∀K⊆XnG(K)=\sum_{L\subseteq K}F(L),\forall K\subseteq X_n

则其逆运算为

F(K)=∑L⊆K(−1)∣K∣−∣L∣G(L),∀K⊆XnF(K)=\sum_{L\subseteq K}(-1)^{|K|-|L|}G(L),\forall K\subseteq X_n

正变换称为 ZZ 变换,这个逆变换的过程为莫比乌斯反演。直接对所有子集计算这个式子,需要 O(3n)O(3^n),利用高维前缀和的技巧可以降为 O(2n)O(2^n)。

证明:

∑L⊆K(−1)∣K∣−∣L∣G(L)=∑L⊆K(−1)∣K∣−∣L∣∑T⊆LF(T)=∑T⊆KF(T)∑T⊆L⊆K(−1)∣K∣−∣L∣=∑T⊆KF(T)∑L⊆K−T(−1)∣L∣=F(K)\begin{align} \sum_{L\subseteq K}(-1)^{|K|-|L|}G(L) &=\sum_{L\subseteq K}(-1)^{|K|-|L|}\sum_{T\subseteq L}F(T)\\ &=\sum_{T\subseteq K}F(T)\sum_{T\subseteq L\subseteq K}(-1)^{|K|-|L|}\\ &=\sum_{T\subseteq K}F(T)\sum_{L\subseteq K-T}(-1)^{|L|}\\ &=F(K) \end{align}

最后一步是因为当 K−TK-T 非空时,偶数子集和奇数子集数目相同。XnX_n 可以替换成任意有限集。

容斥原理可以看作它的特例,设 A1,A2,⋯ ,AnA_1,A_2,\cdots,A_n 为某个有限集 SS 的子集 An+1=SA_{n+1}=S,对于某个集合 K⊆XnK\subseteq X_n 定义 F(K)F(K) 为集合 ∩k∉KAk−∪k/inKAk\cap_{k\notin K}A_k-\cup_{k/in K}A_k 中元素的个数,s∈Ss\in S 被 F(L)F(L) 计数,当且仅当

∀i∈L,s∉Ai∀i∉L,s∈Ai\forall i\in L,s\notin A_i\\ \forall i\notin L,s\in A_i

再定义

G(K)=∑L∈KF(L)G(K)=\sum_{L\in K}F(L)

则,由于

a∈⋂i∉KAi⟺∃L⊆K,a∈⋂i∉LAi−⋃i∈LAia\in\bigcap_{i\notin K}A_i\Longleftrightarrow\exists L\subseteq K,a\in\bigcap_{i\notin L}A_i-\bigcup_{i\in L}A_i

因此 G(K)G(K) 为

G(K)=∣⋂i∉KAi∣G(K)=\left|\bigcap_{i\notin K}A_i\right|

由莫比乌斯反演可知

F(K)=∑L⊆K(−1)∣K∣−∣L∣G(L)F(K)=\sum_{L\subseteq K}(-1)^{|K|-|L|}G(L)

特别的,代入 K=XnK=X_n 得

F(Xn)=∑L⊆Xn(−1)n−∣L∣G(L)F(X_n)=\sum_{L\subseteq X_n}(-1)^{n-|L|}G(L)

由定义知 F(Xn)=∣⋂i∉XnAi−⋃i∈X−nAi∣=∣S−⋃i∈XnAi∣=∣⋂i∈XnAi‾∣F(X_n)=|\bigcap_{i\notin X_n}A_i-\bigcup_{i\in X-n}A_i|=|S-\bigcup_{i\in X_n}A_i|=|\bigcap_{i\in X_n}\overline{A_i}|,因此

∣A1∪A2∪⋯∪An∣=∑L⊆Xn(−1)n−∣L∣∣⋂i∉LAi∣=∑J⊆Xn(−1)∣J∣∣⋂i∈JAi∣\begin{align} |A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_n| &=\sum_{L\subseteq X_n}(-1)^{n-|L|}\left|\bigcap_{i\notin L}A_i\right|\\ &=\sum_{J\subseteq X_n}(-1)^{|J|}\left|\bigcap_{i\in J}A_i\right| \end{align}

上式子中当 J=∅J=\varnothing 时,右边等于 ∣S∣|S|,因此我们得到了容斥原理。

广义迪利克雷卷积和广义莫比乌斯函数​

可以看成 Dirichlet 卷积和 Mobius 函数在偏序集上的推广。

可以将上面集合中莫比乌斯反演的 ⊆\subseteq 关系,替换成偏序关系。任给一个有限偏序集 (X,≤)(X,\leq),令

F(X)={函数f:X×X→\C∣f(x,y)=0,∀x≰y}\mathcal{F}(X)=\{函数f:X\times X\rightarrow\C|f(x,y)=0,\forall x\not\leq y\}

对任意 f,g∈F(X)f,g\in\mathcal{F}(X),定义卷积

(f∗g)(x,y)={∑x≤z≤yf(x,z)g(z,y),if x≤y0,otherwise(f*g)(x,y)= \begin{cases} \displaystyle\sum_{x\leq z\leq y}f(x,z)g(z,y),&\text{if }x\leq y\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

下面,这个 F(X)\mathcal{F}(X) 在二元运算 ∗* 下为一个幺半群,即它满足结合律,以及存在单位元。过程和 Dirichlet 卷积差不多,所以具体推导从略。

有限是要保证求和式有定义,我们可以放宽一点限制,只要求任意 x≤yx\leq y 满足 x≤z≤yx\leq z\leq y 的 zz 的个数有限即可,在本文中称其为线段有限(我不知道叫啥,集合论里面貌似叫这个线段)。比如自然数集就不是有限的,但是它是线段有限的。

容易验证卷积具有结合律 f∗(g∗h)=(f∗g)∗h,∀f,g,h∈F(x)f*(g*h)=(f*g)*h,\forall f,g,h\in\mathcal{F}(x)

定义 Kronecker delta 函数

δ(x,y)={1f(y,y),if x=y−1f(y,y)∑x≤z≤yg(x,z)f(z,y),if x<y0,otherwise\delta(x,y)= \begin{cases} \displaystyle\frac{1}{f(y,y)},&\text{if }x=y\\ \displaystyle-\frac{1}{f(y,y)}\sum_{x\leq z\leq y}g(x,z)f(z,y),&\text{if }x<y\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

可以得到

(g∗f)(x,y)=∑x≤z≤yg(x,z)f(x,y)=δ(x,y)(g*f)(x,y)=\sum_{x\leq z\leq y}g(x,z)f(x,y)=\delta(x,y)

因此它是半群 (F(x),∗)(\mathcal{F}(x),*) 的左逆元,而半群的左逆元就是逆元,即 gg 是 ff 在卷积下的逆。

如果我们用整除关系定义为偏序关系,令 x=Z+x=\Z^+,对于一个数论函数 ff,我们定义

f‾(x,y)={f(y/x),if x≤y0,otherwise\overline{f}(x,y)= \begin{cases} f(y/x),&\text{if }x\leq y\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

则狄利克雷卷积,可以看成它的特例。

定义

ζ(x,y)={1,if x≤y0,otherwise\zeta(x,y)= \begin{cases} 1,&\text{if }x\leq y\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

定义广义 Mobius 函数 μ\mu 为它在卷积下的逆,μ∗ζ=δ\mu*\zeta=\delta,由此得

(μ∗ζ)(x,y)=∑x≤z≤yμ(x,z)μ(z,y)=δ(x,y),∀(x≤y)(\mu*\zeta)(x,y)=\sum_{x\leq z\leq y}\mu(x,z)\mu(z,y)=\delta(x,y),\forall(x\leq y)

将 ζ\zeta 定义代入,得

∑x≤z≤yμ(x,z)=ζ(x,y),∀x≤y\sum_{x\leq z\leq y}\mu(x,z)=\zeta(x,y),\forall x\leq y

由这个等式,可以看到

μ(x,x)=1,∀x∈X\mu(x,x)=1,\forall x\in X μ(x,y)=−∑x≤z≤yμ(x,y),∀x≤y\mu(x,y)=-\sum_{x\leq z\leq y}\mu(x,y),\forall x\leq y

下面,我们举几个特例下 μ\mu 的值

例一:

取偏序集为 (P(Xn),⊆)(\mathcal{P}(X_n),\subseteq),对 A⊆B⊆XA\subseteq B\subseteq X,有

μ(A,B)=(−1)∣B∣−∣A∣\mu(A,B)=(-1)^{|B|-|A|}

证明:因为 μ(A,A)=(−1)0,∀A⊆X\mu(A,A)=(-1)^0,\forall A\subseteq X,并且 ∀A⊊B⊆X\forall A\subsetneq B\subseteq X,由归纳可知

μ(A,B)=−∑A⊆C⊆Bμ(A,C)=−∑A⊆C⊆B(−1)∣C∣−∣A∣=−∑k=0p−1(−1)k(pk)=(−1)p=(−1)∣B∣−∣A∣\begin{align} \mu(A,B) &=-\sum_{A\subseteq C\subseteq B}\mu(A,C)\\ &=-\sum_{A\subseteq C\subseteq B}(-1)^{|C|-|A|}\\ &=-\sum_{k=0}^{p-1}(-1)^{k}\binom{p}{k}\\ &=(-1)^p\\ &=(-1)^{|B|-|A|} \end{align}

其中 p=∣B∣−∣A∣p=|B|-|A|,最后两步是因为

0=(1−1)p=∑k=0p(−1)k(pk)⟹∑k=0p−1(−1)k(pk)=(−1)p+1(pp)0=(1-1)^p=\sum_{k=0}^p(-1)^k\binom{p}{k}\Longrightarrow\sum_{k=0}^{p-1}(-1)^k\binom{p}{k}=(-1)^{p+1}\binom{p}{p}

例二:

考虑 Xn={1,2,⋯ ,n}X_n=\{1,2,\cdots,n\} 上的自然全序,则

μ(k,l)={1,if l=k−1,if l=k+10,otherwise\mu(k,l)= \begin{cases} 1,&\text{if }l=k\\ -1,&\text{if }l=k+1\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

证明:由

∑k≤j≤k+1μ(k,j)=0⟹μ(k,k+1)=−μ(k,k)=−1\sum_{k\leq j\leq k+1}\mu(k,j)=0\Longrightarrow\mu(k,k+1)=-\mu(k,k)=-1

然后可以归纳得出,当 l>k+1l>k+1 时,

∑k≤j≤lμ(k,j)=0⟹μ(k,l)=0\sum_{k\leq j\leq l}\mu(k,j)=0\Longrightarrow\mu(k,l)=0

例三:

考虑 Z+\Z^+ 或者 XnX_n 以及上面的整除偏序关系,我们有

μ(l,k)={μ(1,k/l)=μ(k/l),if l ∣ k0,otherwise\mu(l,k)= \begin{cases} \mu(1,k/l)=\mu(k/l),&\text{if }l\,|\,k\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

其中,一元函数 μ\mu 是数论中的莫比乌斯函数。

证明:μ(1,1)=μ(1)=1\mu(1,1)=\mu(1)=1 再由

∑l∣kμ(1,l)=0 and ∑l∣kμ(l)=0\sum_{l|k}\mu(1,l)=0\,\text{and}\,\sum_{l|k}\mu(l)=0

得 μ(1,k)=μ(k),∀k∈Z+\mu(1,k)=\mu(k),\forall k\in\Z^+

由

∑l∣p∣kμ(l,p)=0,μ(l,l)=1=μ(1)\sum_{l|p|k}\mu(l,p)=0,\mu(l,l)=1=\mu(1)

归纳得

μ(l,k)=−∑l∣p∣k,p≠kμ(l,p)=−∑l∣p∣k,p≠kμ(1,p/l)=−∑t∣kl,t≠klμ(1,t)=μ(1,k/l)=μ(k/l)\begin{align} \mu(l,k) &=-\sum_{l|p|k,p\neq k}\mu(l,p)\\ &=-\sum_{l|p|k,p\neq k}\mu(1,p/l)\\ &=-\sum_{t|\frac{k}{l},t\neq\frac{k}{l}}\mu(1,t)\\ &=\mu(1,k/l)\\ &=\mu(k/l) \end{align}

关于两个偏序集的直积诱导的偏序集,

定理:

令为两个线段有限偏序集,定义 X×YX\times Y 上的偏序为

(x,y)≤(x′,y′)⟺x≤x′ and y≤y′(x,y)\leq(x',y')\Longleftrightarrow x\leq x'\text{ and }y\leq y'

假设 μ1,μ2\mu_1,\mu_2 分别是 (X,≤1),(Y,≤2)(X,\leq_1),(Y,\leq_2) 上的莫比乌斯函数,μ\mu 是 (X×Y,≤)(X\times Y,\leq) 上的莫比乌斯函数,则

μ((x,y),(x′,y′))=μ1(x,x′)μ2(y,y′),∀(x,y),(x′,y′)∈X×Y\mu((x,y),(x',y'))=\mu_1(x,x')\mu2(y,y'),\forall(x,y),(x',y')\in X\times Y

证明:因为 (x,y)≰(x′,y′)⟺x≰x′ or y≰y′(x,y)\not\leq(x',y')\Longleftrightarrow x\not\leq x' \text{ or }y\not\leq y',以及 (x,y)=(x′,y′)⟺x=x′ and y=y′(x,y)=(x',y')\Longleftrightarrow x=x'\text{ and }y=y',因此

μ((x,y),(x,y))=1=μ1(x,x)μ2(y,y)μ((x,y),(x′,y′))=0=μ1(x,x′)μ2(y,y′),∀(x,y),(x′,y′)∈X×Y\mu((x,y),(x,y))=1=\mu_1(x,x)\mu_2(y,y)\\ \mu((x,y),(x',y'))=0=\mu_1(x,x')\mu_2(y,y'),\forall(x,y),(x',y')\in X\times Y

然后归纳,当 (x,y)<(x′,y′)(x,y)<(x',y'),

μ((x,y),(x′,y′))=−∑(x,y)≤(u,v)≤(x′,y′)μ((u,v),(x′,y′))=−∑(x,y)≤(u,v)≤(x′,y′)μ1(u,x′)μ2(v,y′)=−(∑x≤1u≤1x′μ1(u,x′))(∑y≤2v≤2y′μ2(v,y′))+μ1(x,x′)μ2(y,y′)=0⋅0+μ1(x,x′)μ2(y,y′)\begin{align} \mu((x,y),(x',y')) &=-\sum_{(x,y)\leq(u,v)\leq(x',y')}\mu((u,v),(x',y'))\\ &=-\sum_{(x,y)\leq(u,v)\leq(x',y')}\mu_1(u,x')\mu_2(v,y')\\ &=-\left(\sum_{x\leq_1u\leq_1x'}\mu_1(u,x')\right)\left(\sum_{y\leq_2v\leq_2y'}\mu_2(v,y')\right)+\mu_1(x,x')\mu_2(y,y')\\ &=0·0+\mu_1(x,x')\mu_2(y,y') \end{align}

得证。

广义莫比乌斯反演​

定理(广义莫比乌斯反演):

令 (X,≤)(X,\leq) 是一个具有最小元(记为0)的线段有限偏序集。令 μ\mu 是它的广义莫比乌斯函数,令 F:X→\CF:X\rightarrow \C 是一个 XX 上的函数,定义 G:X→\CG:X\rightarrow \C 为

G(X)=∑z≤xF(z),∀x∈XG(X)=\sum_{z\leq x}F(z),\forall x\in X

则我们由反演公式

F(x)=∑y≤xG(y)μ(y,x),∀x∈XF(x)=\sum_{y\leq x}G(y)\mu(y,x),\forall x\in X

证明:直接证明

∀x∈X\forall x\in X

∑y≤xG(y)μ(y,x)=∑y≤x∑z≤yF(z)μ(y,x)=∑y≤xμ(y,x)∑z∈Xζ(z,y)F(z)=∑z∈X∑y≤xζ(z,y)μ(y,x)F(z)=∑z∈X(∑y≤xζ(z,y)μ(y,x))F(z)=∑z∈Xδ(z,x)F(z)=F(x)\begin{align} \sum_{y\leq x}G(y)\mu(y,x) &=\sum_{y\leq x}\sum_{z\leq y}F(z)\mu(y,x)\\ &=\sum_{y\leq x}\mu(y,x)\sum_{z\in X}\zeta(z,y)F(z)\\ &=\sum_{z\in X}\sum_{y\leq x}\zeta(z,y)\mu(y,x)F(z)\\ &=\sum_{z\in X}\left(\sum_{y\leq x}\zeta(z,y)\mu(y,x)\right)F(z)\\ &=\sum_{z\in X}\delta(z,x)F(z)\\ &=F(x) \end{align}

不过从卷积的角度来看更加清晰,可以说一目了然。

定义

f(x,y)={F(y),if x=00,otherwiseg(x,y)={G(y),if x=00,otherwisef(x,y)= \begin{cases} F(y),&\text{if }x=0\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}\\ g(x,y)= \begin{cases} G(y),&\text{if }x=0\\ 0,&\text{otherwise} \end{cases}

则

g(x,y)=∑z≤yf(z,y)=(f∗ζ)(x,y)g(x,y)=\sum_{z\leq y}f(z,y)=(f*\zeta)(x,y)

即 g=f∗ζg=f*\zeta,两边再卷上 μ\mu 得到(μ\mu 和 ζ\zeta 互为逆)

f=g∗μf=g*\mu

故

F(x)=f(0,x)=(g∗μ)(0,x)=∑y≤xg(0,y)μ(y,x)=∑y≤xG(y)μ(y,x)F(x)=f(0,x)=(g*\mu)(0,x)=\sum_{y\leq x}g(0,y)\mu(y,x)=\sum_{y\leq x}G(y)\mu(y,x)

证毕

注意定理中的一个条件 (X,≤)(X,\leq) 具有最小元(不是极小,而是最小)。这个最小元的限制,保证了求和式都是有限的,可以直接交换,而不必考虑收敛性问题。

我们同样可以将这个限制放宽,比如只需保证 ∑z≤xF(z),∑z≤xG(z)\sum_{z\leq x}F(z),\sum_{z\leq x}G(z) 是绝对收敛的。

推论(广义莫比乌斯变换反向形式):令 (X,≤)(X,\leq) 是一个线段有限偏序集. 令 μ\mu 是它的广义莫比乌斯函数,令 F:X→\CF:X\rightarrow\C 是一个上的函数,定义 G:X→\CG:X\rightarrow\C 为

G(x)=∑z≥xF(z),∀x∈XG(x)=\sum_{z\geq x}F(z),\forall x\in X

则我们由反演公式

F(x)=∑y≥xG(y)μ(y,x),∀x∈XF(x)=\sum_{y\geq x}G(y)\mu(y,x),\forall x\in X

其中满足 ∀x∈X,∑z≥xF(z),∑z≥xG(z)\forall x\in X,\sum_{z\geq x}F(z),\sum_{z\geq x}G(z) 绝对收敛。

证明:我们将偏序关系反过来,定义 x≤1y⟺≤xx\leq_1 y\Longleftrightarrow\leq x。 根据上面的讨论就得到了这个定理

推论

(数论中莫比乌斯变换的倍数形式):设 ff 是一个数论函数,定义

F(n)=∑n∣Nf(N)F(n)=\sum_{n|N}f(N)

其中 ∑n∣Nf(N),∑n∣NF(N),∀n\sum_{n|N}f(N),\sum_{n|N}F(N),\forall n 绝对收敛。则

f(n)=∑n∣NF(N)μ(Nn)f(n)=\sum_{n|N}F(N)\mu(\frac{N}{n})

广义莫比乌斯变换的例子​

  1. 容斥原理可以看作是广义莫比乌斯变换的特例,只需让 X+P(Xn)X+\mathcal{P}(X_n),以包含关系作为偏序关系。
  2. 数论中的莫比乌斯反演也是它的特例,只需取 X=XnX=X_n 以及整除关系作为偏序关系,设 FF 为某个 XX 上的实函数,
G(n)=∑d∣nF(d)G(n)=\sum_{d|n}F(d)

则有

F(n)=∑d∣nμ(d,n)G(d)=∑d∣nμ(n/d)G(d)F(n)=\sum_{d|n}\mu(d,n)G(d)=\sum_{d|n}\mu(n/d)G(d)
  1. 利用莫比乌斯反演,计算欧拉函数 φ(n)\varphi(n),即 1∼n1\sim n 中和 nn 互素的元素个数

取偏序集同上,定义

G(n)=∑d∣nφ(d)=∑d∣nφ(n/d)G(n)=\sum_{d|n}\varphi(d)=\sum_{d|n}\varphi(n/d)

由于

∑d∣nφ(n/d)=∑d∣n#x∈Z+ and x≤n/d and gcd⁡(x,n/d)=1=∑d∣n#x∈Z+ and dx≤n and gcd⁡(dx,n)=d=∑d∣n#y∈Z+ and y≤n and gcd⁡(y,n)=d=n\begin{align} \sum_{d|n}\varphi(n/d) &=\sum_{d|n}\#{x\in \Z^+\text{ and }x\leq n/d\text{ and }\gcd(x,n/d)=1}\\ &=\sum_{d|n}\#{x\in \Z^+\text{ and }dx\leq n\text{ and }\gcd(dx,n)=d}\\ &=\sum_{d|n}\#{y\in \Z^+\text{ and }y\leq n\text{ and }\gcd(y,n)=d}\\ &=n \end{align}

即 G(n)=nG(n)=n,利用 莫比乌斯反演,得到

φ(n)=∑d∣nμ(n/d)d=∑d∣nμ(d)n/d\varphi(n)=\sum_{d|n}\mu(n/d)d=\sum_{d|n}\mu(d)n/d

令 n=p1a1p2a2⋯pkakn=p_1^{a_1}p_2^{a_2}\cdots p_k^{a_k},αi≥1\alpha_i\geq 1,利用 μ\mu 的积性性质,得

φ(n)=∑d∣nμ(d)n/d=∑d=p1β1p2β2⋯pkβk,βi≤1μ(d)n/d=∑β1≤1μ(p1β1)p1α1−β1∑β2≤1μ(p2β2)p2α2−β2⋯∑βk≤1μ(pkβk)pkαk−βk=∏i=1k(piαi−piαi−1)=n∏i=1k(1−1pi)\begin{align} \varphi(n) &=\sum_{d|n}\mu(d)n/d\\ &=\sum_{d=p_1^{\beta_1}p_2^{\beta_2}\cdots p_k^{\beta_k},\beta_i\leq 1}\mu(d)n/d\\ &=\sum_{\beta_1\leq 1}\mu(p_1^{\beta_1})p_1^{\alpha_1-\beta_1}\sum_{\beta_2\leq 1}\mu(p_2^{\beta_2})p_2^{\alpha_2-\beta_2}\cdots\sum_{\beta_k\leq 1}\mu(p_k^{\beta_k})p_k^{\alpha_k-\beta_k}\\ &=\prod_{i=1}^k(p_i^{\alpha_i}-p_i^{\alpha_i-1})\\ &=n\prod_{i=1}^k(1-\frac{1}{p_i}) \end{align}
  1. 利用莫比乌斯变换解决计数问题。问题是 1∼k1\sim k 组成的长度为 nn 的可重复循环排列有多少种?可重复指的是 1∼k1\sim k 可以重复使用,循环指的是它形成一个环,同一个环旋转得到的是同一个循环排列。或者这样描述,有 kk 种颜色的珠子,每种颜色的珠子数量无限。问用它们能串成多少种长度为 nn 的手链。

这个问题可以使用Polya计数解决,这里我们使用莫比乌斯反演。

我们将手链拆成串,按周期,对各种情况进行分类。那些周期不为本身的,由更小的周期串组成。令 f(m)f(m) 为长度为 mm 且周期为 mm 的子串,h(n)h(n) 为我们要计数的手链种类数,则

h(n)∑d∣nf(d)dh(n)\sum_{d|n}\frac{f(d)}{d}

因为每个长度为的串,刚好重复计算 dd 次

令

g(m)=∑e∣mf(e)g(m)=\sum_{e|m}f(e)

则 g(m)g(m) 为所有长度为 mm 的串,因此 g(m)=kmg(m)=k^m,利用莫比乌斯反演,我们得到

f(m)=∑e∣mμ(m/e)g(e)=∑e∣mμ(m/e)kef(m)=\sum_{e|m}\mu(m/e)g(e)=\sum_{e|m}\mu(m/e)k^e

将 ff 代回,得

h(n)=∑d∣nf(d)d=∑d∣n1d∑e∣dμ(d/e)ke=∑e∣n(∑m∣ne1meμ(m))ke=∑e∣n(∑r∣nernμ((n/e)/r))ke=∑d∣nφ(n/e)nke=1n∑e∣nφ(n/e)ke\begin{align} h(n) &=\sum_{d|n}\frac{f(d)}{d}\\ &=\sum_{d|n}\frac{1}{d}\sum_{e|d}\mu(d/e)k^e\\ &=\sum_{e|n}\left(\sum_{m|\frac{n}{e}}\frac{1}{me}\mu(m)\right)k^e\\ &=\sum_{e|n}\left(\sum_{r|\frac{n}{e}}\frac{r}{n}\mu((n/e)/r)\right)k^e\\ &=\sum_{d|n}\frac{\varphi(n/e)}{n}k^e\\ &=\frac{1}{n}\sum_{e|n}\varphi(n/e)k^e \end{align}