Die Dirichlet-Faltung ist eine spezielle Art der Faltung , die in der Zahlentheorie als sehr nützliches Werkzeug erscheint. Es arbeitet mit dem Satz von arithmetischen Funktionen .
Herausforderung
Wenn zwei arithmetische Funktionen (dh Funktionen ) gegeben sind, berechnen Sie die Dirichlet-Faltung wie unten definiert.
Einzelheiten
- Wir verwenden die Konvention .
- Die Dirichlet-Faltung zweier arithmetischer Funktionen ist wiederum eine arithmetische Funktion und definiert als (Beide Summen sind äquivalent. Der Ausdruckbedeutetdividiert, daher ist die Summation über den natürlichenTeilernvon . Ebenso können wirund wir erhalten die zweite äquivalente Formulierung. Wenn Sie nicht an diese Notation gewöhnt sind, finden Sie im Folgenden ein schrittweises Beispiel.) Nur zur Erläuterung (dies ist für diese Herausforderung nicht direkt relevant): Die Definition stammt aus der Berechnung des Produkts derDirichlet-Reihe:
- Die Eingabe erfolgt als zwei Blackbox-Funktionen . Alternativ können Sie auch eine unendliche Liste, einen Generator, einen Stream oder ähnliches verwenden, um eine unbegrenzte Anzahl von Werten zu erzeugen.
- Es gibt zwei Ausgabemethoden: Entweder wird eine Funktion zurückgegeben, oder Sie können eine zusätzliche Eingabe und direkt zurückgeben.
- Der Einfachheit halber können Sie davon ausgehen, dass jedes Element von zB mit einem positiven 32-Bit-Int dargestellt werden kann.
- Der Einfachheit halber kann man auch davon ausgehen, dass jeder Eintrag zB durch eine einzige reelle Gleitkommazahl dargestellt werden kann.
Beispiele
Definieren wir zunächst einige Funktionen. Beachten Sie, dass die Liste der Zahlen unter jeder Definition die ersten Werte dieser Funktion darstellt.
- die multiplikative Identität ( A000007 )
1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, ...
- die konstante Einheitsfunktion ( A000012 )
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, ...
- die Identitätsfunktion ( A000027 )
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ...
- die Möbius-Funktion ( A008683 )
1, -1, -1, 0, -1, 1, -1, 0, 0, 1, -1, 0, -1, 1, 1, 0, -1, 0, -1, ...
- die Euler-Totientenfunktion ( A000010 )
1, 1, 2, 2, 4, 2, 6, 4, 6, 4, 10, 4, 12, 6, 8, 8, 16, 6, 18, 8, ...
- die Liouville-Funktion ( A008836 )
wobei die Anzahl der Primfaktoren von die mit der Multiplizität gezählt werden
1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, ...
- die Divisorsummenfunktion ( A000203 )
1, 3, 4, 7, 6, 12, 8, 15, 13, 18, 12, 28, 14, 24, 24, 31, 18, 39, 20, ...
- die Divisor-Zählfunktion ( A000005 )
1, 2, 2, 3, 2, 4, 2, 4, 3, 4, 2, 6, 2, 4, 4, 5, 2, 6, 2, 6, 4, 4, 2, 8, ...
- die charakteristische Funktion von Quadratzahlen ( A010052 )
1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, ...
Dann haben wir folgende Beispiele:
- und
- and
- and
- and
The last for are a consequence of the Möbius inversion: For any the equation is equivalent to .
Step by Step Example
This is an example that is computed step by step for those not familiar with the notation used in the definition. Consider the functions and . We will now evaluate their convolution at . Their first few terms are listed in the table below.
The sum iterates over all natural numbers that divide , thus assumes all the natural divisors of . These are . In each summand, we evaluate at and multiply it with evaluated at . Now we can conclude
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