"探索质数的世界：试除法判定、质因数分解与筛法的综合应用"

试除法判定质数

质数定义：一个大于1的自然数，除了1和它本身外，不能被其他自然数整除，换句话说就是该数除了1和它本身以外不再有其他的因数，这个数就是质数。

给定一个数 x,判断 x 是否为质数：

用 x 除以 2 ~ x - 1 中的每个数，如果出现了余数为 0,则这个数不是质数，如果没有出现余数为 0,则这个数是质数。

优化：

一个数 x 分解成两个数的乘积，则这两个数中，一定有一个数大于根号 x，一个数小于根号x。

所以，可以用 x 除以 2 ~ 根号x 中的每个数，如果出现了余数为 0,则这个数不是质数，如果没有出现余数为 0,则这个数是质数。

代码：

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

bool is_prime(int x)
{
    if (x < 2) return false;
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )//不要用开方函数或者i*i小于x。开方函数慢，i*i可能越界
        if (x % i == 0)
            return false;
    return true;
}

int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    while (n -- )
    {
        int x;
        cin >> x;
        if (is_prime(x)) cout << "Yes" << endl;
        else cout << "No" << endl;;
    }
    
    return 0;

}

分解质因数

• x 的质因子最多只包含一个大于 根号x 的质数。如果有两个，这两个因子的乘积就会大于 x，矛盾。

• i 从 2 遍历到 根号x。 用 x / i，如果余数为 0，则 i 是一个质因子。

• s 表示质因子 i 的指数，x /= i 为 0，则 s++， x = x / i 。

• 最后检查是否有大于 根号x 的质因子，如果有，输出。

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

void divide(int x)
{
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )//i <= x / i:防止越界，速度大于 i < sqrt(x)
        if (x % i == 0)//i为底数
        {
            int s = 0;//s为指数
            while (x % i == 0) x /= i, s ++ ;
            cout << i << ' ' << s << endl;//输出
        }
    if (x > 1) cout << x << ' ' << 1 << endl;//如果x还有剩余，单独处理
    cout << endl;
}

int main()
{
    int n;
    cin >> n;
    while (n -- )
    {
        int x;
        cin >> x;
        divide(x);
    }

    return 0;
}

筛质数

1.最普通的筛法 O(nlogn) C++ 代码

void get_primes2(){
    for(int i=2;i<=n;i++){

        if(!st[i]) primes[cnt++]=i;//把素数存起来
        for(int j=i;j<=n;j+=i){//不管是合数还是质数，都用来筛掉后面它的倍数
            st[j]=true;
        }
    }

}

2.诶氏筛法 O(nloglogn) C++ 代码

void get_primes1(){
    for(int i=2;i<=n;i++){
        if(!st[i]){
            primes[cnt++]=i;
            for(int j=i;j<=n;j+=i) st[j]=true;//可以用质数就把所有的合数都筛掉；
        }
    }
}

3.线性筛法 O(n) C++ 代码

void get_primes(){
    //外层从2~n迭代，因为这毕竟算的是1~n中质数的个数，而不是某个数是不是质数的判定
    for(int i=2;i<=n;i++){
        if(!st[i]) primes[cnt++]=i;
        for(int j=0;primes[j]<=n/i;j++){//primes[j]<=n/i:变形一下得到——primes[j]*i<=n,把大于n的合数都筛了就
        //没啥意义了
            st[primes[j]*i]=true;//用最小质因子去筛合数

            //1)当i%primes[j]!=0时,说明此时遍历到的primes[j]不是i的质因子，那么只可能是此时的primes[j]<i的
            //最小质因子,所以primes[j]*i的最小质因子就是primes[j];
            //2)当有i%primes[j]==0时,说明i的最小质因子是primes[j],因此primes[j]*i的最小质因子也就应该是
            //prime[j]，之后接着用st[primes[j+1]*i]=true去筛合数时，就不是用最小质因子去更新了,因为i有最小
            //质因子primes[j]<primes[j+1],此时的primes[j+1]不是primes[j+1]*i的最小质因子，此时就应该
            //退出循环，避免之后重复进行筛选。
            if(i%primes[j]==0) break;
        }
    }

}