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求质数 之 除余法

求质数 之 除余法

redraiment, 2007-02-06

问题描述





  试编写一个程序,找出 2N 之间的所有质数(质数的概念请看这里),用尽可能快的方法实现。

问题分析

  这个问题可以有两种解法:一种是用“筛子法”,另一种是从 2N 逐一检测出质数。
  如果要了解“筛法”,请看另一篇文章《求质数 之 筛法》。

  现在来介绍第二种方法。用这种方法,最先想到的就是让从2→N逐一检查。如果是就显示出来,如果不是,就继续检查下一个直到超出范围 N。这是正确的做法,但效率却不高。当然,2 是质数,那么 2 的倍数就不是质数,如果令 i 从 2N,就很冤枉地测试了 4、6、8……这些数?所以第一点改建就是只测试 2 与所有的奇数
就足够了。同理,3 是质数,但6、9、12……这些 3 的倍数却不是,因此,如果能够把 2 与 3 的倍数跳过去而不测试,任意连续的 6 个数中,就只会测试 2 个而已。以6n, 6n+1, 6n+2, 6n+3, 6n+4, 6n+5 为例,6n, 6n+2, 6n+4 是偶数,又 6n+3 是 3 的倍数,所以如果 2 与 3 的倍数都不理会,只要测试的数就只留下6n+1和6n+5而已了,因而工作量只是前面想法的 2/6 = 1/3,应该用这个方法编程。

  还有个问题,就是如果判断一个数 i 是否为素数。按素数的定义,也就是只有 1 与本身可以整除,所以可以用 2i-1 去除 i,如果都除不尽,i 就是素数。观点对,但却与上一点一样的笨拙。当 i>2 时,有哪一个数可以被 i-1 除尽的?没有!为什么?如果 i 不是质数,那么 i=a×b,此地 a 与 b 既不是 i 又不是 1;正因为 a>1,a 至少为 2,因此 b 最多也是 i/2 而已,去除 i 的数用不着是 2i-1,而用 2i/2 就可以了。不但如此,因为 i=a×b,a 与 b 不能大于 sqrt(i),为什么呢?如果 a>sqrt(i),b>sqrt(i),于是 a×b > sqrt(i)*sqrt(i) = i,因此就都不能整除i了。如果i不是质数,它的因子最大就是 sqrt(i);换言之,用 2sqrt(i)去检验就行了。

  但是,用 2sqrt(i) 去检验也是浪费。就像前面一样,2 除不尽,2 的倍数也除不尽;同理,3 除不尽,3 的倍数也除不尽……最理想的方法就是用质数去除i。

  但问题是这些素数从何而来?这比较简单,可以准备一个数组 prime[],用来存放找到的素数,一开始它里面有 2、3、5。检查的时候,就用 prime[] 中小于 sqrt(i)的数去除 i 即可,如果都除不尽,i 就是素数,把它放如 prime[] 中,因此 prime[] 中的素数会越来越多,直到满足个数为止!

  不妨用这段说明来编写这个程序,但是程序设计的时候会有两个小问题:
  1. 如果只检查 6n+1 和 6n+5 ?不难发现,它们的距离是4、2、4、2……所以,可以先定义一个变量 gab=4,然后 gab=6-gab;
  2. 比较是不能用 sqrt(i),因为它不精确。举个例子,i=121,在数学上,sqrt(i) 自然是 11,但计算机里的结果可能是 10.9999999,于是去除的数就是 2、3、5、7,而不含 11,因此 121 就变成质数了。解决这个问题的方法很简单,不要用开方,用平方即可。例如,如果 p*p<=i,则就用 p 去除 i。而且它的效率比开方高。

程序清单

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int creat_prime ( int prime[], int n, int total )
{
    int i, *p, g = 2;

    for ( i = 7; i <= n; i += g ) {
        g = 6 - g;
        p = prime;
        while ( (*p) * (*p) <= i && i % (*p) ) {
            p++;
        }
        if ( i % (*p) ) {
            prime[total++] = i;
        }
    }

    return total;
}

int main(void)
{
    int prime[30000] = { 2, 3, 5 };
    int total = 3;     /* 找到素数的个数 */
    int n = 200000;    /* 要查找的范围(>=6) */
    int i;

    total = creat_prime ( prime, n, total );
    for ( i = 0; i < total; i++) {
        printf ( "%d ", prime[i] );
        if ( i && !(i % 10) )
            putchar ( '\n' );
    }
    putchar ( '\n' );

    return EXIT_SUCCESS;
}


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