4704:
4043:
4699:{\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{1\leq n\leq x}\mu (n)g\left({\frac {x}{n}}\right)&=\sum _{1\leq n\leq x}\mu (n)\sum _{1\leq m\leq {\frac {x}{n}}}f\left({\frac {x}{mn}}\right)\\&=\sum _{1\leq n\leq x}\mu (n)\sum _{1\leq m\leq {\frac {x}{n}}}\sum _{1\leq r\leq x}f\left({\frac {x}{r}}\right)\\&=\sum _{1\leq r\leq x}f\left({\frac {x}{r}}\right)\sum _{1\leq n\leq x}\mu (n)\sum _{1\leq m\leq {\frac {x}{n}}}\left\qquad {\text{rearranging the summation order}}\\&=\sum _{1\leq r\leq x}f\left({\frac {x}{r}}\right)\sum _{n|r}\mu (n)\\&=\sum _{1\leq r\leq x}f\left({\frac {x}{r}}\right)\varepsilon (r)\\&=f(x)\qquad {\text{since }}\varepsilon (r)=0{\text{ except when }}r=1\end{aligned}}}
1775:
3366:
3114:
3725:
1581:
3147:
5239:
showed the importance of this theory in combinatorial mathematics and gave a deep treatment of it. He noted the relation between such topics as inclusion-exclusion, classical number theoretic Möbius inversion, coloring problems and flows in networks. Since then, under the strong influence of Rota,
2917:
4938:
2631:
3478:
2475:
1770:{\displaystyle f_{n}={\begin{cases}\underbrace {\mu *\ldots *\mu } _{-n{\text{ factors}}}*\varphi &{\text{if }}n<0\\\varphi &{\text{if }}n=0\\\varphi *\underbrace {{\mathit {1}}*\ldots *{\mathit {1}}} _{n{\text{ factors}}}&{\text{if }}n>0\end{cases}}}
3893:
2310:
863:
1278:
2190:
270:
2040:
1502:
5235:(1936); both authors were motivated by group theory problems. Neither author seems to have been aware of the combinatorial implications of his work and neither developed the theory of Möbius functions. In a fundamental paper on Möbius functions,
1930:
1146:
3361:{\displaystyle g(x)=\sum _{m=1}^{\infty }\alpha (m){\frac {f(mx)}{m^{s}}}\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1\quad \Longleftrightarrow \quad f(x)=\sum _{m=1}^{\infty }\alpha ^{-1}(m){\frac {g(mx)}{m^{s}}}\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1.}
640:
5163:
3739:
As Möbius inversion applies to any abelian group, it makes no difference whether the group operation is written as addition or as multiplication. This gives rise to the following notational variant of the inversion formula:
168:
1013:
5061:
3109:{\displaystyle g(x)=\sum _{m=1}^{\infty }{\frac {f(mx)}{m^{s}}}\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1\quad \Longleftrightarrow \quad f(x)=\sum _{m=1}^{\infty }\mu (m){\frac {g(mx)}{m^{s}}}\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1.}
3730:
These identities for alternate forms of Möbius inversion are found in. A more general theory of Möbius inversion formulas partially cited in the next section on incidence algebras is constructed by Rota in.
4791:
2524:
3720:{\displaystyle \log \zeta (s)=-\sum _{p\mathrm {\ prime} }\log \left(1-{\frac {1}{p^{s}}}\right)=\sum _{k\geq 1}{\frac {P(ks)}{k}}\iff P(s)=\sum _{k\geq 1}{\frac {\mu (k)}{k}}\log \zeta (ks),\Re (s)>1.}
2380:
4048:
3973:
1412:
3746:
2201:
930:
716:
1161:
2091:
179:
1941:
4008:
415:
5208:
4028:
3471:
1843:
708:
4979:
3436:
1027:
480:
318:
4759:
4779:
3403:
670:
545:
5354:
5072:
98:
1568:
Both of these lists of functions extend infinitely in both directions. The Möbius inversion formula enables these lists to be traversed backwards.
1306:
Given an arithmetic function, one can generate a bi-infinite sequence of other arithmetic functions by repeatedly applying the first summation.
941:
5394:
5328:
4991:
4933:{\displaystyle \mu (s,s)=1{\text{ for }}s\in P,\qquad \mu (s,u)=-\sum _{s\leq t<u}\mu (s,t),\quad {\text{ for }}s<u{\text{ in }}P.}
2626:{\displaystyle f(n)=\sum _{1\leq m\leq n}\mu (m)g\left(\left\lfloor {\frac {n}{m}}\right\rfloor \right)\quad {\mbox{ for all }}n\geq 1.}
5529:
5255:
5474:
5454:
2470:{\displaystyle g(n)=\sum _{1\leq m\leq n}f\left(\left\lfloor {\frac {n}{m}}\right\rfloor \right)\quad {\mbox{ for all }}n\geq 1.}
3907:
that is the indicator function of the condition, being 1 if the condition is true and 0 if false. We use the result that
5524:
5414:
3913:
3888:{\displaystyle {\mbox{if }}F(n)=\prod _{d|n}f(d),{\mbox{ then }}f(n)=\prod _{d|n}F\left({\frac {n}{d}}\right)^{\mu (d)}.}
5409:
2305:{\displaystyle F(x)=\sum _{1\leq n\leq x}\alpha ^{-1}(n)G\left({\frac {x}{n}}\right)\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1.}
1310:
5421:
58:
858:{\displaystyle g(n)=\prod _{d|n}f(d)\iff f(n)=\prod _{d|n}g\left({\frac {n}{d}}\right)^{\mu (d)},\forall n\geq 1.}
5489:
1273:{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n^{s}}}=\zeta (s)\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {b_{n}}{n^{s}}}}
879:
2185:{\displaystyle G(x)=\sum _{1\leq n\leq x}\alpha (n)F\left({\frac {x}{n}}\right)\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1}
265:{\displaystyle f(n)=\sum _{d\mid n}\mu (d)g\left({\frac {n}{d}}\right)\quad {\text{for every integer }}n\geq 1}
31:
2035:{\displaystyle F(x)=\sum _{1\leq n\leq x}\mu (n)G\left({\frac {x}{n}}\right)\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1.}
1603:
3904:
486:
1497:{\displaystyle \varepsilon (n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n=1\\0,&{\text{if }}n>1\end{cases}}}
1831:
1827:
3981:
68:, with Möbius' classical formula applying to the set of the natural numbers ordered by divisibility: see
5534:
4735:
3372:
1785:
1295:
375:
2352:
A particular application of the first of these extensions arises if we have (complex-valued) functions
384:
5404:
5187:
1925:{\displaystyle G(x)=\sum _{1\leq n\leq x}F\left({\frac {x}{n}}\right)\quad {\mbox{ for all }}x\geq 1}
368:
65:
1436:
5430:
5425:
3376:
2911:
Another inversion formula is (where we assume that the series involved are absolutely convergent):
2068:
89:
46:
4013:
3441:
1141:{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }a_{n}x^{n}=\sum _{n=1}^{\infty }b_{n}{\frac {x^{n}}{1-x^{n}}}}
5374:
5172:, Vol 1, Section 3.7.) The classical arithmetic Mobius function is the special case of the poset
675:
4946:
280:
3412:
1780:
The generated sequences can perhaps be more easily understood by considering the corresponding
450:
5497:
5470:
5450:
5390:
5324:
5240:
the theory of Möbius inversion and related topics has become an active area of combinatorics.
4729:
2327:
2072:
1524:
1354:
431:
69:
297:
5366:
5342:
2637:
1781:
1561:
1380:
1152:
5338:
4744:
5346:
5334:
5236:
4764:
3382:
649:
17:
5227:
The statement of the general Möbius inversion formula was first given independently by
5316:
5250:
1823:
1019:
5500:
5518:
5228:
4031:
3406:
1797:
1505:
635:{\displaystyle \mu *g=\mu *({\mathit {1}}*f)=(\mu *{\mathit {1}})*f=\varepsilon *f=f}
358:
54:
3379:
that uses the series-based form of Möbius inversion in the previous equation when
1784:: each repeated application of the transform corresponds to multiplication by the
1386:
If the starting function is the Möbius function itself, the list of functions is:
5158:{\displaystyle f(t)=\sum _{s\leq t}g(s)\mu (s,t)\qquad {\text{ for all }}t\in P.}
5232:
163:{\displaystyle g(n)=\sum _{d\mid n}f(d)\quad {\text{for every integer }}n\geq 1}
38:
64:
A large generalization of this formula applies to summation over an arbitrary
5505:
5323:, Undergraduate Texts in Mathematics, New York-Heidelberg: Springer-Verlag,
5389:, Graduate Texts in Mathematics (Book 84) (2nd ed.), Springer-Verlag,
2315:
The previous formula arises in the special case of the constant function
1008:{\displaystyle b_{n}=\sum _{d\mid n}\mu \left({\frac {n}{d}}\right)a_{d}}
5378:
5177:
5056:{\displaystyle g(t)=\sum _{s\leq t}f(s)\qquad {\text{ for all }}t\in P}
284:
50:
4720:
replaces 1 is essentially identical, as is the second generalisation.
2636:
A simple example of the use of this formula is counting the number of
514:
is the identity function for the
Dirichlet convolution, taking values
5464:
5444:
1018:
is its transform. The transforms are related by means of series: the
5370:
5355:"On the applications of Möbius inversion in combinatorial analysis"
1316:, and repeatedly applies the transformation process, one obtains:
710:, we obtain the product version of the Möbius inversion formula:
342:
by using the inversion formula. The two sequences are said to be
2745:
are not necessarily coprime. (This is because every fraction
2864:, and vice versa.) Here it is straightforward to determine
1722:
1706:
600:
572:
396:
3903:
The first generalization can be proved as follows. We use
1763:
1490:
30:"Möbius transform" redirects here. Not to be confused with
2056:
This in turn is a special case of a more general form. If
3130:
is an arithmetic function possessing a
Dirichlet inverse
4943:(Here one assumes the summations are finite.) Then for
5285:
3806:
3751:
3371:
For example, there is a well known proof relating the
3343:
3232:
3091:
2990:
2608:
2452:
2287:
2167:
2017:
1907:
5190:
5075:
4994:
4949:
4794:
4767:
4747:
4046:
4016:
3984:
3916:
3749:
3481:
3444:
3415:
3385:
3150:
2920:
2527:
2383:
2204:
2094:
1944:
1846:
1584:
1415:
1164:
1030:
944:
882:
719:
678:
652:
548:
453:
387:
300:
182:
101:
5426:"Über eine besondere Art von Umkehrung der Reihen."
3968:{\displaystyle \sum _{d|n}\mu (d)=\varepsilon (n),}
485:Many specific examples are given in the article on
357:are functions from the positive integers into some
5202:
5157:
5055:
4973:
4932:
4773:
4753:
4698:
4022:
4002:
3967:
3887:
3719:
3465:
3430:
3397:
3360:
3108:
2625:
2469:
2304:
2184:
2034:
1924:
1769:
1496:
1272:
1140:
1007:
924:
857:
702:
664:
634:
474:
409:
312:
264:
162:
5387:A Classical Introduction to Modern Number Theory
2045:Here the sums extend over all positive integers
320:in the above formulae). In effect, the original
5431:Journal für die reine und angewandte Mathematik
5353:Bender, Edward A.; Goldman, J. R. (1975),
5225:
4741:, a set endowed with a partial order relation
27:Relation between pairs of arithmetic functions
5300:
3119:As above, this generalises to the case where
8:
5469:, vol. 2, Cambridge University Press,
5449:, vol. 1, Cambridge University Press,
1796:A related inversion formula more useful in
49:, each defined from the other by sums over
3622:
3618:
925:{\displaystyle a_{n}=\sum _{d\mid n}b_{d}}
769:
765:
5189:
5138:
5095:
5074:
5039:
5014:
4993:
4948:
4919:
4905:
4865:
4819:
4793:
4766:
4746:
4709:The proof in the more general case where
4678:
4655:
4606:
4581:
4545:
4541:
4523:
4498:
4479:
4463:
4440:
4427:
4393:
4375:
4350:
4322:
4279:
4263:
4250:
4216:
4183:
4164:
4151:
4117:
4092:
4055:
4047:
4045:
4015:
3983:
3925:
3921:
3915:
3867:
3853:
3835:
3831:
3805:
3780:
3776:
3750:
3748:
3654:
3642:
3594:
3582:
3562:
3553:
3514:
3510:
3480:
3443:
3414:
3384:
3342:
3333:
3310:
3292:
3282:
3271:
3231:
3222:
3199:
3181:
3170:
3149:
3090:
3081:
3058:
3040:
3029:
2989:
2980:
2957:
2951:
2940:
2919:
2607:
2588:
2547:
2526:
2451:
2432:
2403:
2382:
2286:
2271:
2246:
2224:
2203:
2166:
2151:
2114:
2093:
2016:
2001:
1964:
1943:
1906:
1891:
1866:
1845:
1746:
1737:
1733:
1721:
1720:
1705:
1704:
1701:
1676:
1653:
1638:
1631:
1607:
1598:
1589:
1583:
1571:As an example the sequence starting with
1473:
1447:
1431:
1414:
1262:
1252:
1246:
1240:
1229:
1202:
1192:
1186:
1180:
1169:
1163:
1129:
1112:
1106:
1100:
1090:
1079:
1066:
1056:
1046:
1035:
1029:
999:
981:
962:
949:
943:
916:
900:
887:
881:
825:
811:
793:
789:
743:
739:
718:
677:
651:
599:
598:
571:
570:
547:
452:
395:
394:
386:
299:
248:
233:
202:
181:
146:
121:
100:
5222:Contributions of Weisner, Hall, and Rota
444:. The second formula is then written as
5266:
2374:defined on the positive integers, with
424:denotes the Dirichlet convolution, and
5321:Introduction to analytic number theory
5273:
496:is (commutative and) associative, and
378:, the first formula may be written as
283:and the sums extend over all positive
7:
66:locally finite partially ordered set
4003:{\displaystyle 1*\mu =\varepsilon }
80:The classic version states that if
3699:
3530:
3527:
3524:
3521:
3518:
3445:
3283:
3182:
3041:
2952:
1241:
1181:
1091:
1047:
843:
25:
5180:: that is, for positive integers
2703:is the total number of fractions
410:{\displaystyle g={\mathit {1}}*f}
5176:of positive integers ordered by
4985:is a commutative ring, we have
2049:which are less than or equal to
1309:For example, if one starts with
5385:Ireland, K.; Rosen, M. (2010),
5203:{\displaystyle s\preccurlyeq t}
5137:
5038:
4904:
4836:
4654:
4481:rearranging the summation order
4478:
3341:
3251:
3247:
3230:
3089:
3009:
3005:
2988:
2792:can be reduced to the fraction
2606:
2450:
2285:
2165:
2015:
1905:
349:The formula is also correct if
247:
145:
45:is a relation between pairs of
5134:
5122:
5116:
5110:
5085:
5079:
5035:
5029:
5004:
4998:
4965:
4898:
4886:
4852:
4840:
4810:
4798:
4669:
4663:
4651:
4645:
4629:
4623:
4564:
4558:
4546:
4420:
4414:
4312:
4297:
4243:
4237:
4144:
4138:
4082:
4076:
3959:
3953:
3944:
3938:
3926:
3877:
3871:
3836:
3821:
3815:
3799:
3793:
3781:
3766:
3760:
3708:
3702:
3693:
3684:
3666:
3660:
3632:
3626:
3619:
3609:
3600:
3497:
3491:
3454:
3448:
3425:
3419:
3325:
3316:
3307:
3301:
3261:
3255:
3248:
3214:
3205:
3196:
3190:
3160:
3154:
3073:
3064:
3055:
3049:
3019:
3013:
3006:
2972:
2963:
2930:
2924:
2574:
2568:
2537:
2531:
2393:
2387:
2261:
2255:
2214:
2208:
2141:
2135:
2104:
2098:
1991:
1985:
1954:
1948:
1856:
1850:
1425:
1419:
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1216:
835:
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794:
779:
773:
766:
762:
756:
744:
729:
723:
605:
589:
583:
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223:
217:
192:
186:
142:
136:
111:
105:
1:
5256:Inclusion–exclusion principle
4761:, define the Möbius function
1556:is the number of divisors of
5463:Stanley, Richard P. (1999),
5443:Stanley, Richard P. (1997),
5184:we define the partial order
4023:{\displaystyle \varepsilon }
3466:{\displaystyle \Re (s)>1}
492:The theorem follows because
5410:Encyclopedia of Mathematics
5403:Kung, Joseph P.S. (2001) ,
703:{\displaystyle \ln f,\ln g}
5551:
4974:{\displaystyle f,g:P\to K}
4727:
29:
5530:Enumerative combinatorics
5466:Enumerative Combinatorics
5446:Enumerative Combinatorics
5301:Bender & Goldman 1975
5170:Enumerative Combinatorics
3899:Proofs of generalizations
3431:{\displaystyle \zeta (s)}
475:{\displaystyle f=\mu *g.}
53:. It was introduced into
18:Moebius inversion formula
5490:Möbius inversion formula
1311:Euler's totient function
1302:Repeated transformations
487:multiplicative functions
331:can be determined given
76:Statement of the formula
43:Möbius inversion formula
4680: except when
4037:We have the following:
3735:Multiplicative notation
1800:is as follows: suppose
313:{\displaystyle d\mid n}
250:for every integer
148:for every integer
59:August Ferdinand Möbius
5242:
5204:
5159:
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2908:is harder to compute.
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2085:, then if one defines
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90:arithmetic functions
47:arithmetic functions
5359:Amer. Math. Monthly
5140: for all
5041: for all
3398:{\displaystyle s=1}
3377:prime zeta function
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2069:arithmetic function
2019: for all
1909: for all
665:{\displaystyle f,g}
374:In the language of
5501:"Möbius Transform"
5498:Weisstein, Eric W.
5405:"Möbius inversion"
5303:, pp. 789–803
5276:, pp. 105–123
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