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P1891 疯狂 LCM

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求 $\displaystyle\sum_{i=1}^n \operatorname{lcm}(i,n)$

容易想到,原式可以化为 $\displaystyle n \sum_{i=1}^n\dfrac{i}{\gcd(i,n)}$

类似 P2303的做法 ,$\gcd(i,n)$ 可以化为 $\displaystyle\sum_{d \mid n}d[\gcd(i,n)=d]$

所以就得到了 $\displaystyle n \sum{i=1}^n $ $\sum{d \mid n} \dfrac{i}{d[\gcd(i,n)=d]}$

略微整理,得到 $\displaystyle n\sum{d \mid n} $ $\sum{i=1}^{n}\dfrac{i}{d}[\gcd(i,n)=d]$

显然,对答案有贡献的 $i$ 一定是 $d$ 的倍数,即 $i = kd$

于是就得到了 $\displaystyle n \sum{d|n}\sum{k=1}^{kd\leq n}k[\gcd(kd,n)=d]$

整理得 $\displaystyle n \sum{d|n}\sum{k=1}^{\frac{n}{d}}k[\gcd(k,\dfrac{n}{d})=1]$

然后考虑 $\displaystyle\sum_{k=1}^{\frac{n}{d}}k[\gcd(k,\dfrac{n}{d})=1]$ 这一坨的意义:与 $\dfrac{n}{d}$ 互质的所有数的和。

因为 $\gcd(k,\dfrac{n}{d})=\gcd(\dfrac{n}{d},\dfrac{n}{d}-k)$ ,所以 $k$ 是成对出现的,且每一对的 $k$ 的和为 $\dfrac{n}{d}$, 一共有 $\lceil\dfrac{\varphi(\dfrac{n}{d})}{2}\rceil$ 对

所以,$\displaystyle\sum_{k=1}^{\frac{n}{d}}k[\gcd(k,\dfrac{n}{d})=1]=\lceil\dfrac{\varphi(\dfrac{n}{d})}{2}\rceil\times d$

因此,原式可以被整理为 $\displaystyle n\sum_{d|n}d\left\lceil\dfrac{\varphi(\dfrac{n}{d})}{2}\right\rceil$