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gcd && 素数_legend

时间:2022-12-13 17:36:11浏览次数:57  
标签:false gcd int 质数 素数 && legend primeArray





数据处理:
(1)gcd (Greatest Common Divisor):

gcd详解:(2)素数 (质数)(prime number):
 (2.1)判断素数 :
  (2.1.1)试除法 :
  (2.1.2)筛选法 :
 (2.2)前N个素数 :
 (2.3)小于等于N的素数 :


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(1)辗转相除法gcd : Greatest Common Divisor

(1.1)简介 :
gcd,即辗转相除法,又称欧几里得算法,是求最大公约数的算法,即求两
个正整数之最大公因子的算法。

gcd 算法:给定俩个正整数m,n(m>=n),求它们的最大公约数。(注意,
一般要求m>=n,若m<n,则要先交换m<->n。下文,会具体解释)。

用数学定理表示即为:“定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b) (a>b 且a mod
b 不为0)”。以下,是此算法的具体流程:

(1.2)步骤:
1、[求余数],令r=m%n,r 为n 除m 所得余数(0<=r<n);
2、[余数为0?],若r=0,算法结束,此刻,n 即为所求答案,否则,继续,
转到3;
3、[重置],置m<-n,n<-r,返回步骤1.

(1.3)代码实现 :
int gcd(int a,int b){
int temp;
if(a<b){/*交换两个数,使大数放在a上*/
temp=a;
a=b;
b=temp;
}while(b!=0){
/*利用辗除法,直到余数为0为止,则最大公约数为除数
此中余数为temp,b=temp;
*/
temp=a%b;
a=b;
b=temp;
}
return a;
}递归实现 :
int gcd(int a,int b){
int temp;
int gcd;
if(a<b){/*交换两个数,使大数放在a上*/
temp=a;
a=b;
b=temp;
}
while(b%a!=0){
gcd=gcd(b,b%a);
}
return gcd;
}

(1.3)a模p的乘法逆元:

a存在模p的乘法逆元的充要条件是gcd(a,p) = 1

a*b=kp+1;
则称b为a模p的乘法逆元。

(1.4)如果gcd(a,b)=d,则存在m,n,使得d = ma + nb,
称呼这种关系为a、b组合整数d,m,n称为组合系数。
(类似于ax+by=c;然后c为组合数,a,b为组合系数)
当d=1时,有 ma + nb = 1 ,此时可以看出m是a模b的乘法逆元,
n是b模a的乘法逆元。

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(2)素数(质数)(prime number) :

 (2.0)素数定理 :

 描述某个范围内的素数个数 :

 对正实数x,定义π(x)为不大于x的素数个数。
 其中lnx为x的自然对数。上式的意思是当x趋近∞,
 π(x) ≈ x/ln x 。

 (2.1)判断素数 :

 判断一个数是否为素数,一般的书上都是写的 %(模)它的前一般数。 若出现整除break;
上面的那种方法效率很低,根据自然数分解定理,
每一个合数都可以分解成 一些素数的乘积,
也就是说,如果一个数不能整除任一个比它小的素数,则它必然是素数!

还有1不是素数,也不是和数。

 (2.1.1)试除法 (适用于判断一个数是否为素数):

  (1)判断质数境界一:
   从2~n-1;依次除以n;
  (2)判断质数境界二:
   想:如果n有从自身以外的因数,肯定小于等于n/2;
   所以从2~n/2;

  (3)判断质数境界三:
   想:除2以外,所有可能的质因数都是奇数,
   所以:先尝试2,然后从3开始一直到n/2的奇数。

  (4)判断质数境界四:

  先尝试2,然后从3到√x 的奇数;

  代码如下:

bool isPrime(int value){
if(value%2==0)
return false; int sqrtOfValue=sqrt(value);
for(int i=3;i<=sqrtOfValue;i+=2){ if(value%i==0)
return false;
} if(i>sqrtOfValue)
return true; }

  (5)判断质数境界五:

  从2开始到√x 的质数;

   1.先构建从2到√x 的素数数组;
   2.然后不断查表。

  

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 (2.1.2)筛选法  (使用与输出小于等于N的素数):

  (1)筛选法简介 :

  因为任何一个合数都可以表示为若干个素数的乘积。
  所以去掉素数的整数n(n>1)倍的数,就剩下的就是素数了。
  所以:先去掉2的整数倍(2除外)
       再去掉3的整数倍。
       .....

   2是公认最小的质数,所以,先把所有2的倍数去掉;然后剩下的那些大于2的数里面,最小的是3,所以3也是质数;然后把所有3的倍数都去掉,剩下的那些大于3的数里面,最小的是5,所以5也是质数......上述过程不断重复,就可以把某个范围内的合数全都除去(就像被筛子筛掉一样),剩下的就是质数了。

    (2)  图解 :

gcd && 素数_legend_gcd

  (3) 构造存储容器 :

  知道了分布范围,接下来就得构造一个容器,来存储该范围内的所有自然数;然后在筛的过程中,把合数筛掉。

   (1)境界一:整型存储
   解析:

   直接构造一个整型的容器。在筛的过程中把发现的合数删除掉,最后容器中就只剩下质数了。
   缺点:整型的容器,浪费内存空间。

   (2)境界二:bool型存储 :
   解析:

   构造一个定长的布尔型容器(通常用数组)。

   。比方说,质数的分布范围是1000000,那么就构造一个包含1000000个布尔值的数组。然后把所有下标为奇数以及下标为2的设置为true,下标为偶数且>2的设置为false。在筛选的过程中,发现某个下标时素数,则把下标是素数下标 的整数倍的元素设置为false。全部筛完之后,遍历数组,找到那些值为 true 的元素,把他们的下标打印出来即可。

   改进:bool型数组里面只存奇数不存偶数。如定义prime[N],则0表示3,1表示5,2表示7,3表示9...。如果prime[0]为true,则表示3时素数。prime[3]为false意味着9是合数。

   (3)境界三 :按位存储 (byte 数组):

   解析:一个字节八位,然后求一定范围range的质数,byte[range]
   初始化为全为1,然后将以合数为下标的元素值设为0.
   这样整个数组就是一个01串。
   最后得到,元素值为1的下标即可。

   (4)境界四:

  
----------
 (2.2)求取前n个素数 :

 

 (2.2.1)试除法 :

  (1)思路:

  前面3个素数2,3,5;后面检验的就可以在原来素数的基础上+2,比如要找第四个素数
  就在5的基础上+2,然后再用5+2整除前面的素数2,3,5如果都不能整除那就是素数
  其他的以此类推。

  (2)代码实现 :

/*
输入:取前n个素数;
输出:前n个素数的 数组,以及返回第n个素数的 值。
*/
int get_primesArray(int *primeArray, int length)
{
primeArray[0] = 2;
primeArray[1] = 3;
int count = 1;
for(int i=3; count!=length; i+=2)
{
int sqrt_i = sqrt(i); for(int j=1; sqrt_i>=primeArray[j] && i%primeArray[j]!=0; ++j);
/*
试除法判断一个数i是否为素数,
就是用从2到sqrt(i) 的素数去除 i,看是否可以整除。
此中素数存储在数组中,另外j从1开始,因为i为奇数。
所以不需要从2=primeArray[0]开始除了 。
*/ if(sqrt_i<primeArray[j])
{
primeArray[count++] = i;
}
}
return primeArray[count-1];
}

 (2.2.3)筛选法求前n个素数 :

  (1)分析 :
  根据素数定理,求前n个素数,需要先确定素数分布的范围。
  因为这个质数分布公式有一定的误差(通常小于15%)。
  为了保险起见,把反推出的素数分布范围再稍微扩大15%,应该就足够了。

  (2)步骤:
   1. 由素数定理确定范围 :
   2. 转化为求一定范围内的素数 :

 (2.2.4)代码实现 :



------------
 (2.3)求取小于N的所有素数 :

 (2.3.1)思路一:筛选法,可以将bool数组,改为byte数组,节约空间。
  
  (2.3.1.1)步骤:

   (1)初始化筛选数组,偶数下标设为0(false),奇数为1(true)。

   (2)将每个素数下标的奇数倍(n为奇数,n>=3)的元素设置为0(false).

  (2.3.1.2)代码实现 :

  

void init(bool * primeArray,int length){
for(int i=2;i<length;i+=2){
primeArray[i]=false;
primeArray[i-1]=true;
}
/*
如果数组最后几个元素为:
i-1,i ,i+1 (即i+1=N-1)
则i+1没有初始化,循环结束时i=N=偶数; 如果最后几个为i-1,i(即i=N-1)
则正常,循环结束时i=N+1=偶数; if(i==N)
prime[N-1]=true;
因为i始终为偶数。
*/ if(i==length){
primeArray[length-1]=true;
} primeArray[2]=true;
} void primeLessThanN(int n,bool * primeArray,int length)
{
/*其实length=n+1;不需要额外传递*/
init(primeArray,length); for(int i=3;i<=sqrt(n);i+=2){
/*


      因为下标是2的整数倍的都已经设为false,所以从3开始,
      然后只有奇数才有可能为素数,所以i+=2;

      然后为什么是i<=sqrt(N) ????

      因为任何一个合数x,都可以表示为素数的乘积,所以素数是合数的因数。
      所以该素数<=sqrt(x);
 

*/
if(primeArray[i])
{
/*该下标是素数
则把下标是素数下标整数倍的元素设为false。
此中j=3*i;是因为2*i是2的倍数,值必然为false。
然后不用j+=i;因为i的偶数倍的值必然为false。
*/ for(j=i*3;j<N;j+=2*i){
primeArray[j]=false;
} }
}
}

   


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(2.4)前n个素数 && 小于等于n的素数 代码测试








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