素数判定算法的实现
1. 素数判定问题
素数判定问题是一个非常常见的问题,本文介绍了常用的几种判定方法。
2. 原始算法
素数的定义是,除了能被1和它本身整除而不能被其他任何数整除的数。根据素数定义只需要用2到n-1去除n,如果都除不尽,则n是素数,否则,只要其中有一个数能整除则n不是素数。
boolis_primer1(intnum){ inti; for(i=2;i<num;i++){ if(num%i==0){ returntrue; } } returnfalse; }
3. 改进算法
n不是素数,则n可表示为a*b,其中2<=a<=b<=n-1,则a,b中必有一个数满足:1<x<=sqrt(n),因而,只需要用2~sqrt(n)去除n,这样就得到一个复杂度为O(sqrt(n))的算法
boolis_primer2(intnum){ inti; intupper=sqrt(num); printf("primer2:%d\n",upper); for(i=2;i<=upper;i++){ if(num%i==0){ returntrue; } } returnfalse; }
4. 筛选算法
更高效地素数判断方法应该是将素数预先保存到一个素数表中,当判断一个数是否为素数时,直接查表即可。这种方法需要解决两个问题:
(1) 怎样快速得到素数表?(采用筛选方法)
(2) 怎样减少素数表的大小?(采用位图数据结构)
对于1到n全部整数,逐个判断它们是否是素数,找出一个非素数,就把它挖掉,最后剩下的就是素数。具体方法是:
<1>定义is_primer[i]=true;
<2>从2开始,依次遍历整个is_primer(直到sqrt(N)),如果is_primer[i]=true,则is_primer[n*i]=false
如1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,则
从2开始遍历:
is_primer[2]=true,则is_primer[4]=is_primer[6]=is_primer[8]=is_primer[10]=true
is_primer[3]=true,则is_primer[6]=is_primer[9]=true
为了减少内存使用率,算法使用了位图数据结构,关于位图,可参考:https://www.nhooo.com/article/54439.htm
boolload_primer_table1(){//保存素数表 inti; for(i=1;i<INT_MAX;i++){ if(i%2!=0//偶数一定不是素数 &&is_primer2(i)){ set(i); } } } boolload_primer_table2(){//另一种更快的方法保存素数表 inti,j; for(i=1;i<=INT_MAX;i++){ if(i%2){ set(i); }else{ clear(i); } } intupper=sqrt(INT_MAX); for(i=1;i<=upper;i++){ if(test(i)){ for(j=i+i;j<INT_MAX;j+=i) set(i); } } } boolis_primer3(longnum){//查表判断是否为素数 if(test(num)) returntrue; returnfalse; }
5. 优化的筛选算法
(1) 存储方式优化
仍然采用位图方式存储,只不过是位图中只存储奇数,这样一下子节省了一半空间(需要的空间仅为4G/(32*2)=64MB)
存储空间优化后,算法效率也会提升很多,如:1,2,…,30
只需存储3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29
i=0,is_primer[0]=true,把下标[3][6][9][12],即9,15,21,27,标为false
i=1,s_primer[0]=true,把下标为[6][11],即15,25标为false
i=2,2*i+3>sqrt(30),结束
即:i=s,把下标为s(2*t+1)+3t,其中,t=1,2,3,…中所有的的is_primer置为false
(2) 优化删选算法
a是素数,则下一个起点是a*a,把后面的所有的a*a+2*i*a筛掉。即欲求n以内的素数,就先把sqrt(n)内的素数求出来,用已经求得的素数来筛出后面的合数。
6. 总结
至今为止,没有任何人发现素数的分布规律,也没有人能用一个公式计算出所有的素数。关于素数的很多的有趣的性质或者科学家的努力,如:
(1) 高斯猜测,n以内的素数个数大约与n/ln(n)相当,或者说,当n很大时,两者数量级相同。这就是著名的素数定理。
(2) 十七世纪费马猜测,2的2^n次方+1,n=0,1,2…时是素数,这样的数叫费马素数,可惜当n=5时,2^32+1就不是素数,至今也没有找到第六个费马素数。
(3) 18世纪发现的最大素数是2^31-1,19世纪发现的最大素数是2^127-1,20世纪末人类已知的最大素数是2^859433-1,用十进制表示,这是一个258715位的数字。
(4) 孪生素数猜想:差为2的素数有无穷多对。目前知道的最大的孪生素数是1159142985×2^2304-1和1159142985×2^2304+1。
(5) 歌德巴赫猜想:大于2的所有偶数均是两个素数的和,大于5的所有奇数均是三个素数之和。其中第二个猜想是第一个的自然推论,因此歌德巴赫猜想又被称为1+1问题。我国数学家陈景润证明了1+2,即所有大于2的偶数都是一个素数和只有两个素数因数的合数的和。国际上称为陈氏定理。