素数的几种算法,100以下随便,100000以下6倍筛,100万以上欧拉

昨天发出 之后,收到很多朋友的评论,讨论更高效的求素数的方法,我将大家的评论一一看过,觉得受益良多,同时也没有闲着,动手又敲了一遍这些精妙的求素数的方法,发出来与大家共享。

素数的几种算法,100以下随便,100000以下6倍筛,100万以上欧拉

这是一位大佬

就像上面这位朋友所说,求素数的方法确实有很多:100以下随便做,枚举估验特判开心就好,100000以下用6倍筛,1000000以下用埃氏筛,100万以上直接欧拉筛,不优化40000000以内秒过,一个亿以内的欧拉优化过……

我真被这简洁明了的概括惊呆了。

那今天就按照这样的顺序讲一下这些求素数的方法吧。

素数的几种算法,100以下随便,100000以下6倍筛,100万以上欧拉

100以内:随便做

什么意思,就是最简单的定义来就好了。根据定义,判断一个整数n是否是素数,只需要去判断在整数区间[2, n-1]之内,是否具有某个数m,使得n % m == 0。

我们把这种方法叫做朴素判断素数算法或者试除法,代码是这样的:

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事实上,这个算法是O(n)的,感觉是很快了,但是依旧无法满足需求。

所以有一个算法是O(sqrt(n))的算法:

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原理很巧妙,也仅仅是把代码的i < n变成了i * i <= n而已,但是优化却是极其高的。可能你会注意到,在上一份代码里面,我定义的n为int类型,而后面一份代码,我却定义成了long long,这是因为在1s内,上一份代码能判断出来的数量级为1e8,而后面一份代码判断出来的数量级却几乎可以达到1e16。而原因仅仅是因为a * b = c的话一旦a是c的约数,那么b也是,如果a不是,那么b也不是。

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这里要插播一条诚挚的感谢,昨天的文章里出现了一个巨大的错误,被一个小可爱指出来了,如下:

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确实我昨天的代码错了

犯这样的错误让我心痛不已!!!

以后一定痛定思痛,好好学习天天向上!

6倍筛:一个神奇的规律

个人觉得这个方法,是一个神奇的发现。

来看一个关于质数分布的规律:大于等于5的质数一定和6的倍数相邻。例如5和7,11和13,17和19等等。

这个规律的正确性我们这里就不证明了,大家有兴趣可以去查查资料,或者等待大佬评论区解答。

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好,那么知道这个规律,此时判断质数就可以6个为单元快进,即将前面的方法循环中i++步长加大为6,加快判断速度,原因是,假如要判定的数为n,则n必定是6x-1或6x+1的形式,对于循环中6i-1,6i,6i+1,6i+2,6i+3,6i+4,其中如果n能被6i,6i+2,6i+4整除,则n至少得是一个偶数,但是6x-1或6x+1的形式明显是一个奇数,故不成立;另外,如果n能被6i+3整除,则n至少能被3整除,但是6x能被3整除,故6x-1或6x+1(即n)不可能被3整除,故不成立。

综上,循环中只需要考虑6i-1和6i+1的情况,即循环的步长可以定为6,每次判断循环变量k和k+2的情况即可,理论上讲这种方法整体速度应该会是朴素判断素数法的3倍。代码如下:

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埃氏筛选法(埃拉托斯特尼筛法)

埃氏筛选法对于筛选整数n以内的素数,算法是这么描述的:先把素数2的倍数全部删除,剩下的数第一个为3,再把素数3的倍数全部删除,剩下的第一个数为5,再把素数5的倍数全部删除······直到把n以内最后一个素数的倍数删除完毕,得到n以内的所有素数。代码可以这么写:

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这就是下面这位小可爱的观点:

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线性筛选

观察可以发现,上面的这种写法有很多次重复计算,这样显然无法做到线性筛选,而另外一种写法却可以得到线性筛选,达到时间复杂度为O(n),代码可以这么写:

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Meissel-Lehmer算法

这个算法可以说是黑科技级别的,它能够在3s内求出1e11之内的素数个数,据说还有在300ms内求出1e11的个数的。

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本菜鸟我,望而却步啊,完全没有研究过,所以原理和代码大家就自行百度吧。


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