算法总结:判断一个数是否为素数 (一)

2014-11-24 08:13:38 · 作者: · 浏览: 2
1.约定
x%y为x取模y,即x除以y所得的余数,当x
x^y表示x的y次方。乘方运算的优先级高于乘除和取模,加减的优先级最低。
见到x^y/z这样,就先算乘方,再算除法。www.2cto.com
A/B,称为A除以B,也称为B除A。
若A%B=0,即称为A可以被B整除,也称B可以整除A。
A*B表示A乘以B或称A乘B,B乘A,B乘以A……都一样。
复习一下小学数学
公因数:两个不同的自然数A和B,若有自然数C可以整除A也可以整除B,那么C就是A和B的公因数。
公倍数:两个不同的自然数A和B,若有自然数C可以被A整除也可以被B整除,那么C就是A和B的公倍数。
互质数:两个不同的自然数,它们只有一个公因数1,则称它们互质。
费马是法国数学家,又译“费尔马”,此人巨牛,他的简介请看下面。不看不知道,一看吓一跳。
2.费马小定理:
有N为任意正整数,P为素数,且N不能被P整除(显然N和P互质),则有:N^P%P=N(即:N的P次方除以P的余数是N)。
但是我查了很多资料见到的公式都是这个样子:
(N^(P-1))%P=1后来分析了一下,两个式子其实是一样的,可以互相变形得到。
原式可化为:(N^P-N)%P=0(即:N的P次方减N可以被P整除,因为由费马小定理知道N的P次方除以P的余数是N)把N提出来一个,N^P就成了你N*(N^(P-1)),那么(N^P-N)%P=0可化为:
(N*(N^(P-1)-1))%P=0
请注意上式,含义是:N*(N^(P-1)-1)可以被P整除
又因为N*(N^(P-1)-1)必能整除N(这不费话么!)
所以,N*(N^(P-1)-1)是N和P的公倍数,小学知识了^_^
又因为前提是N与P互质,而互质数的最小公倍数为它们的乘积,所以一定存在
正整数M使得等式成立:N*(N^(P-1)-1)=M*N*P
两边约去N,化简之:N^(P-1)-1=M*P
因为M是整数,显然:N^(P-1)-1)%P=0即:N^(P-1)%P=1
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3.积模分解公式
先有一个引理,如果有:X%Z=0,即X能被Z整除,则有:(X+Y)%Z=Y%Z
设有X、Y和Z三个正整数,则必有:(X*Y)%Z=((X%Z)*(Y%Z))%Z
想了很长时间才证出来,要分情况讨论才行:
1.当X和Y都比Z大时,必有整数A和B使下面的等式成立:
X=Z*I+A(1)
Y=Z*J+B(2)
不用多说了吧,这是除模运算的性质!
将(1)和(2)代入(X*Y)modZ得:((Z*I+A)(Z*J+B))%Z乘开,再把前三项的Z提一个出来,变形为:(Z*(Z*I*J+I*A+I*B)+A*B)%Z(3)
因为Z*(Z*I*J+I*A+I*B)是Z的整数倍……晕,又来了。
概据引理,(3)式可化简为:(A*B)%Z又因为:A=X%Z,B=Y%Z,代入上面的式子,就成了原式了。
2.当X比Z大而Y比Z小时,一样的转化:
X=Z*I+A
代入(X*Y)%Z得:
(Z*I*Y+A*Y)%Z
根据引理,转化得:(A*Y)%Z
因为A=X%Z,又因为Y=Y%Z,代入上式,即得到原式。
同理,当X比Z小而Y比Z大时,原式也成立。
3.当X比Z小,且Y也比Z小时,X=X%Z,Y=Y%Z,所以原式成立。
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4.快速计算乘方的算法
如计算2^13,则传统做法需要进行12次乘法。
[cpp]
/*计算n^p*/
unsigned power(unsigned n,unsigned p)
{
for(int i=0;i
return n;
}
/*计算n^p*/
unsigned power(unsigned n,unsigned p)
{
for(int i=0;i
return n;
}
该死的乘法,是时候优化一下了!把2*2的结果保存起来看看,是不是成了:
4*4*4*4*4*4*2
再把4*4的结果保存起来:16*16*16*2
一共5次运算,分别是2*2、4*4和16*16*16*2
这样分析,我们算法因该是只需要计算一半都不到的乘法了。
为了讲清这个算法,再举一个例子2^7:2*2*2*2*2*2*2
两两分开:(2*2)*(2*2)*(2*2)*2
如果用2*2来计算,那么指数就可以除以2了,不过剩了一个,稍后再单独乘上它。
再次两两分开,指数除以2: ((2*2)*(2*2))*(2*2)*2
实际上最后一个括号里的2 * 2是这回又剩下的,那么,稍后再单独乘上它 现在指数已经为1了,可以计算最终结果了:16*4*2=128
优化后的算法如下:
[cpp]
unsigned Power(unsigned n,unsigned p)
{
unsigned main=n; //用main保存结果
unsigned odd=1; //odd用来计算“剩下的”乘积
while (p>1)
{//一直计算,直到指数小于或等于1
if((p%2)!=0)
{// 如果指数p是奇数,则说明计算后会剩一个多余的数,那么在这里把它
乘到结果中
odd*=main; //把“剩下的”乘起来
}
main*=main; //主体乘方
p/=2; //指数除以2
}
return main*odd; //最后把主体和“剩下的”乘起来作为结果
}
unsigned Power(unsigned n,unsigned p)
{
unsigned main=n; //用main保存结果
unsigned odd=1; //odd用来计算“剩下的”乘积
while (p>1)
{//一直计算,直到指数小于或等于1
if((p%2)!=0)
{// 如果指数p是奇数,则说明计算后会剩一个多余的数,那么在这里把它
乘到结果中
odd*=main; //把“剩下的”乘起来
}
main*=main; //主体乘方
p/=2; //指数除以2
}
return main*odd; //最后把主体和“剩下的”乘起来作为结果
}
够完美了吗?