高效判断素数算法(6倍原理)

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原理:

除了2和3外,其余素数都与6的倍数相邻,这些素数都满足6n±1,也就是说这些素数都分布在6的倍数的邻数上。总结为一句话:大于等于5的质数一定和6的倍数相邻。例如:5、7, 11、13、17等。但是与6的倍数相邻的不一定是素数,有可能是6倍邻数的倍数,例如25、35、49,这些数就分别是5,7的倍数。

这是个trivial的素数分布特征,因模6的余数中只有1和5与6互素,故从5开始的素数必与6的倍数相邻。

设计:

算法设计的时候,除了2和3外需要判断一个数是否为素数。 第一步:先判断是否为6倍邻数,如果是则执行第二步; 第二步:判断这个数是否为6倍邻数的倍数,如若不是则这个数为素数

分析:

1、大于等于5的素数必定为6倍邻数证明

6倍以外的数分别有:6n+1,6n+2,6n+3,6n+4,6n+5 其中6n+2,6n+3,6n+4三个数都可以分解: 6n+2=2(3n+1) 6n+3=3(2n+1) 6n+4=2(3n+2) 所以以上三个数必不可能是素数,剩下的只有6n+1,6n+5可能存在素数

2、6n+1和6n+5的素数判断

在判断6n+1和6n+5是否为素数过程中只需判断这个数是否为6倍邻数的倍数即可断定

为何不需要判断这个数是否为6n+2,6n+3,6n+4的倍数 首先,6n+2,6n+4为偶数,不可能是6n+1,6n+5这个两个奇数的因数,自然就不用判断 然后,6n+3=3(2n+1),所以6n+3必为3的倍数,3的倍数不分布在6n+1上,也不分布在6n+5上。 因为

6n+13=2n+13 \frac{6n+1}{3}=2n+{{1} \over {3}}
6n+53=2n+1+23\frac{6n+5}{3}=2n+1+{{2} \over {3}}

当n为整数时,无论n取何值,上面这两个式子都不可能为整数。 所以6n+1和6n+5,不可能为6n+3的倍数。 故6n+1和6n+5,只可能为6m+1和6m+5的倍数。 存在6倍邻数的两个因数是6倍邻数。



素数判断函数

bool isprime(int num) {
	if (num == 2 || num == 3) {
		return true;
	}

	//如果不与6的倍数相邻,肯定不是素数
	if (num % 6 != 1 && num % 6 != 5) {
		return false;
	}

	//对6倍邻数进行判断,是否为6倍邻数的倍数
	for (int i = 5; i <= sqrt(num); i += 6) {
		if (num % i == 0 || num % (i + 2) == 0) {
			return false;
		}
	}
	return true;
}