素数专题

素数是一个经常的涉及到得内容，所以有必要整理出有关解决素数相关问题的算法

学习资料：Eratosthenes筛法和欧拉筛法对比　　一般筛法求素数+快速线性筛法求素数　　数学技巧之素数筛选

　　　　　素数与素性测试　〖数学算法〗素性测试　　请看Miller-Rabin算法!　　Miller-Rabin素数测试　　Pollard-rho大整数分解

1. 素数筛法

　　代码1(埃氏筛法)：

/*
    埃氏筛法：返回n以内素数的个数， 复杂度O (nloglogn)
*/
int seive(int n)    {        //Eratosthenes (埃氏筛法)
    int p = 0;
    memset (is_prime, true, sizeof (is_prime));
    is_prime[0] = is_prime[1] = false;
    for (int i=2; i<=n; ++i)    {
        if (is_prime[i])    {
            prime[++p] = i;
            for (int j=2*i; j<=n; j+=i)    is_prime[j] = false;
        }
    }
    return p;
}

　　代码2(欧拉筛法)：

/*
    欧拉筛法：返回n以内素数的个数， 复杂度O (n)
*/
int seive(int n)    {        //Euler (欧拉筛法)
    int p = 0;
    memset (is_prime, true, sizeof (is_prime));
    is_prime[0] = is_prime[1] = false;
    for (int i=2; i<=n; ++i)    {
        if (is_prime[i])    prime[++p] = i;
        for (int j=1; j<=p && i*prime[j]<=n; ++j)    {
            is_prime[i*prime[j]] = false;
            if (i % prime[j] == 0)    break;
        }
    }
    return p;
}

附上比较两种筛法的测试结果(新标签查看原图)

2. 素性测试

　　代码1：

/*
    素性测试，输入正数，复杂度O (sqrt(n))
*/
bool is_prime(int n)    {
    for (int i=2; i*i<=n; ++i)  {
        if (n % i == 0)    return false;
    }
    return n != 1;    //1例外
}

　　代码2：

/*
    素性测试，在小范围(1e5)内判素数个数以及单个数判素数有奇效，不适用于大范围判素数
*/
bool is_prime(int x)    {
    if (x == 2 || x == 3)   return true;
    if (x % 6 != 1 && x % 6 != 5)   return false;
    for (int i=5; i*i<=x; i+=6) {
        if (x % i == 0 || x % (i + 2) == 0) return false;
    }
    return true;
}

　　代码3(Miller_Rabin 随机算法)：

/*
	素性测试，Miller_Rabin 随机算法
	可以判断< 2^63的数
	素数：true，合数：false
*/
const int S = 20;									//随机算法判定次数，S越大，判错概率越小

//非递归写法，递归写法可能会爆栈
ll GCD(ll a, ll b)	{
	if (a == 0)	return 1;
	if (a < 0)	a = -a;
	while (b)	{
		ll c = a % b;
		a = b; b = c;
	}
	return a;
}

//计算 (a * b) % p，a，b是long long数，直接相乘可能会溢出
ll multi_mod(ll a, ll b, ll p)	{
	ll ret = 0;
	a %= p;	b %= p;
	while (b)	{
		if (b & 1)	{
			ret += a;
			if (ret >= p)	ret -= p;
		}
		a <<= 1;
		if (a >= p)	a -= p;
		b >>= 1;
	}
	return ret;
}

//计算 a ^ x % p
ll pow_mod(ll a, ll x, ll p)	{
	ll ret = 1;
	a %= p;
	while (x)	{
		if (x & 1)	ret = multi_mod (ret, a, p);
		a = multi_mod (a, a, p);
		x >>= 1;
	}
	return ret;
}

/*
	以a为基,n-1=x*2^t，a^(n-1) = 1(mod n)  验证n是不是合数
	一定是合数返回true, 不一定返回false
*/
bool check(ll a, ll n, ll x, int t)	{
	ll ret = pow_mod (a, x, n);
	ll last = ret;
	for (int i=1; i<=t; ++i)	{
		ret = multi_mod (ret, ret, n);
		if (ret == 1 && last != 1 && last != n - 1)	return true;	//合数
		last = ret;
	}
	if (ret != 1)	return true;
	return false;
}

bool Miller_Rabin(ll n)	{
	if (n == 2)	return true;
	if (n < 2 || ! (n & 1))	return false;			//偶数或1
	ll x = n - 1;	int t = 0;
	while (! (x & 1))	{
		x >>= 1;	t++;
	}
	for (int i=1; i<=S; ++i)	{
		ll a = rand () % (n - 1) + 1;				//需要cstdlib头文件
		if (check (a, n, x, t))	return false;		//合数
	}
	return true;
}

　　

 3. 整数分解

　　代码1：

/*
    整数分解，试除法进行质因子分解，复杂度O(sqrt(n))
*/
map<int, int> factorize(int n)   {
    map<int, int> res;
    for (int i=2; i*i<=n; ++i)  {
        while (n % i == 0)    {
            ++res[i];    n /= i;
        }
    }
    if (n != 1)    res[n] = 1;
    return res;
}

　　代码2：

/*
    整数分解，先打个素数表优化试除法
*/
vector<int> factorize(int n)  {
    int p = seive (100000);
    vector<int> ret;
    for (int i=1; i<=p && prime[i]<=n/prime[i]; ++i)    {
        while (n % prime[i] == 0)  {
            n /= prime[i];
            ret.push_back (prime[i]);
        }
    }
    if (n != 1) ret.push_back (n);
    return ret;
}

　　代码3(Pollard_rho 随机算法)：

/*
	大整数分解，Pollard_rho 随机算法
	factorize ()保存质因数在vector
*/
ll Pollard_rho(ll x, ll c)	{
	ll i = 1, k = 2;
	ll a = rand () % x;
	ll b = a;
	while (1)	{
		i++;
		a = (multi_mod (a, a, x) + c) % x;
		ll d = GCD (b - a, x);
		if (d != 1 && d != x)	return d;
		if (b == a)	return x;
		if (i == k)	b = a, k += k;
	}
}

void factorize(ll n, vector<ll> &ret)	{			//ret保存质因数，无序
	if (Miller_Rabin (n))	{						//素数
		ret.push_back (n);	return ;
	}
	ll p = n;
	while (p >= n)	p = Pollard_rho (p, rand () % (n - 1) + 1);
	factorize (p, ret);
	factorize (n / p, ret);
}


int main(void)    {
	srand (time (NULL));							//需添加ctime头文件
	int T;	scanf ("%d", &T);
	while (T--)	{
		ll n;	scanf ("%I64d", &n);
		if (Miller_Rabin (n))	puts ("Prime");
		else	{
			if (n <= 1)	{							//1的情况特判，否则RE
				puts ("-1");	continue;
			}
			vector<ll> ans;
			factorize (n, ans);
			sort (ans.begin (), ans.end ());
			for (int i=0; i<ans.size (); ++i)	{
				printf ("%I64d%c", ans[i], (i == ans.size ()-1) ? '
' : ' ');
			}
		}
	}
	
    return 0;
}

　　

其他：

　　代码：

/*
    约数枚举，复杂度O (sqrt(n))
*/
vector<int> divisor(int n)  {
    vector<int> ret;
    for (int i=1; i*i<=n; ++i)  {
        if (n % i == 0) {
            ret.push_back (i);
            if (n / i != i)    ret.push_back (n / i);
        }
    }
    return res;
}