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Mostrar que $\sigma_0(N) = \frac{1}{N}\sum_{d|N} \sum_{l=1}^d \mathrm{gcd}(d,l)$

Aquí es un resultado que he encontrado en un libro de texto:

$$ \sigma_0(N) = \boxed{\sum_{d|N} 1 = \frac{1}{N}\sum_{d|N} \sum_{l=1}^d \mathrm{gcd}(d,l) }$$

¿Cómo es que esto siga a partir de los resultados básicos de la teoría de los números? He probado el teorema de Bezout:

$$ \mathrm{gcd}( x,y) = \min \big\{ ax + by > 0 : a,b \in \mathbb{Z} \big\}$$

pero ahora estamos agregando todo el MCD.

Realmente estoy tratando de pensar en esto como un estudiante de la escuela primaria utilizando el divisor de árbol:

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5voto

wujj123456 Puntos 171

Sugerencia: Muestre que $$\sum_{l=1}^d\,\gcd(l,d)=d\,\sum_{t\mid d}\,\frac{\phi(t)}{t}$$ for every positive integer $d$, and that $$\left(\phi*\sigma_1\right)(n)=n\,\sigma_0(n)$$ para cada entero positivo $n$ donde $\phi$ es de Euler totient función, $\sigma_1$ es el divisor-función de suma, y $*$ es la convolución de Dirichlet.

Para la primera pista, contamos el número de $l\in\{1,2,\ldots,d\}$ $\gcd(l,d)=\tau$ para un determinado $\tau\mid d$. Es fácil ver que hay $\phi\left(\frac{d}{\tau}\right)$ tales enteros $l$, de donde $$\sum_{l=1}^d\,\gcd(l,d)=\sum_{\tau \mid d}\,\tau\,\phi\left(\frac{d}{\tau}\right)=d\,\sum_{t\mid d}\,\frac{\phi(t)}{t}\,.$$ Then, we get $$\begin{align}\sum_{d\mid n}\,\sum_{l=1}^d\,\gcd(l,d)&=\sum_{d\mid n}\,d\,\sum_{t\mid d}\,\frac{\phi(t)}{t}=\sum_{t\mid n}\,\phi(t)\,\sum_{\delta\mid\frac{n}{t}}\,\delta\\&=\sum_{t\mid n}\,\phi(t)\,\sigma_1\left(\frac{n}{t}\right)=\left(\phi*\sigma_1\right)(n)\,.\end{align}$$ To show the second hint, we simply verify the equality when $n$ is a prime power, as the Dirichlet convolution preserves multiplicativity. You can also show that $\text{id}=\phi*1$ and $\sigma_1=1*\text{id}$, where $\text{id}$ is the identity function $n\mapsto n$ and $1$ is the constant function $n\mapsto1$. Ergo, $$\phi*\sigma_1=\phi*(1*\text{id})=(\phi*1)*\text{id}=\text{id}*\text{id}=\text{id}\cdot\sigma_0\,.$$

2voto

ArtW Puntos 58

Fix $D$, algunas positivas divisor de $N$. Vamos a mostrar que en la suma $$\sum_{d\mid n} \sum_{l=1}^d \gcd(l,d)$$ there are exactly $N/D$ terms with $\gcd(a,d)=D$. This will imply the problem statement because $$\sum_{d\mid n} \sum_{l=1}^d \gcd(l,d)=\sum_{D\mid N}D\cdot(N/D)=N\sigma_0(N).$$

De hecho, cualquier par $(l,d)$ tal que $\gcd(l,d)=D$ debe ser de la forma $l=mD,d=kD$ para algunos enteros $k,m$$1\le k\le N/D$$1\le m\le k$. Por lo tanto el número de pares de $(l,d)$ el número de $m,k$'s en el mencionado intervalo de con $\gcd(mD,kD)=D$, es decir,$\gcd(m,k)=1$. Hay, pues, $$\sum_{k\mid N/D}\varphi(k)=N/D$$ tales pares.

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