0x31 质数

0x31 质数

定义：

若一个正整数无法被除了1和它自身之外的任何自然数整除，则称该数为质数（或素数），否则则称该正整数为合数。

在整个自然数集合中，质数的数量不多，分布比较稀疏，对于一个足够大的整数N，不超过$N$的质数大约有$N/lnN$个，即$lnN$个数中大约有一个质数。

1.质数的判定

试除法

若一个正整数$N$为合数，则存在一个能整除$N$的整数$T$，其中$2\le T\le \sqrt{N}$。

我们只需扫描$2\sim \sqrt{N}$之间所有的整数，依次检查它们能否整除$N$，若都不能整除，则$N$是质数，否则$N$是合数。试除法的时间复杂度是$O(\sqrt{N})$。当然我们需要特判0和1这两个数，它们既不是质数也不是合数。

bool is_prime(int n)
{
    if(n<2)
        return false;
    for(int i=2;i<=sqrt(n);++i)
        if(n%i==0)
            return false;
   	return true;
}

“试除法”作为最简单也最经典的确定性算法，是我们在算法竞赛中通常会使用的方法。有一些效率更高的随机性算法，例如“Miller-Robbin”等，有较小的概率把合数误判定为质数，但多次判定合起来错误概率趋近于0。

2.质数的筛选

给定一个整数N，求出$1\sim N$之间所有的质数，称为质数的筛选问题。

Eratosthenes筛法（埃式筛法）

Eratosthenes筛法基于这样的想法：任意整数$x$的倍数$2x$，$3x$，…都不是质数。

我们可以从2开始，由小到大扫描每个数$x$，然后把它的倍数$2x$，$3x$，…，$\lfloor N/x\rfloor \ast x$标记为合数。当扫描到一个数，若它未被标记，则说明它不能被$2\sim x-1$之间的任何数整除，该数就是质数。

Eratosthenes筛法如下：

我们发现，2和3都会把6标记为合数。实际上，小于$x^2$的$x$的倍数在扫描更小的数时就已经被标记过了。因此，我们可以对Eratosthenes筛法进行优化，对于每个数$x$，我们只需要从$x^2$开始，把$x^2$，$(x+1)\ast x$，$(x+2)\ast x$，…，$\lfloor N/x\rfloor \ast x$标记为合数即可。

void prime(int n)
{
    memset(v,0,sizeof(v)); //合数标记，全都标记为质数
    for(int i=2;i<=n;++i)
    {
        if(v[i]) 
            continue;
        cout<<i<<endl; //i是质数
        for(int j=i;j<=n/i;++j)
            v[i*j]=1;
	}
}

Eratosthenes筛法的时间复杂度为$O({\sum }_{质数p\le N}\frac{N}{P})=O(Nloglogn)$。该算法实现简单，效率已经非常接近线性，是算法竞赛中最常用的质数筛法。

Euler筛法（欧拉筛法/线性筛法）

即使在优化后（从$x^2$开始），Eratosthenes筛法仍然会重复标记合数。例如12既会被2标记又会被3标记。其根本原因是我们没有确定出唯一的产生12的方式。

线性筛法通过“从小到大累计质因子”的方式标记每一个合数，即让12只有3*2*2一种方式产生。设数组$v$记录每个数的最小质因子，我们按照以下步骤维护$v$。

1.依次考虑$2\sim N$中的每个数$i$。

2.若$v[i]=i$，说明$i$是质数，把它保存下来。

3.扫描不大于$v[i]$的每个质数$p$，令$v[i\ast p]=p$。也就是在$i$的基础上累积一个质因子$p$。因为$p\le v[i]$，所以$p$就是合数$i\ast p$的最小质因数。

每个合数只会被它的最小质因数$p$筛一次，时间复杂度为$O(n)$。

int v[MAX_N],prime[MAX_N];
int m=0; //质数数量
void primes(int n)
{
    memset(v,0,sizeof(v)); //最小质因子
    for(int i=2;i<=n;++i)
    {
        if(v[i]==0)
            v[i]=i,prime[++m]=i;
        //给当前的i乘上一个质因子
        for(int j=1;j<=m;++j)
        {
            //i有比prime[j]更小的质因子或超出n的范围，停止循环
            if(prime[j]>v[i]||prime[j]*i>n)
                break;
            //prime[j]是合数prime[j]*i的最小质因子
           	v[prime[j]*i]=prime[j];
		}
	}
}

我们也可以直接把$v$数组改为$is\_prime$数组，判断这个数是不是质数。

bool is_prime[MAX_N];
int prime[MAX_N];
int m;
void prime(int n)
{
    for(int i=2;i<=n;++i)
        is_prime[i]=true;
    for(int i=2;i<=n;++i)
    {
        if(is_prime[i])
            prime[++m]=i;
       	for(int j=1;j<=m&&i*prime[j]<=n;++j)
        {
            is_prime[i*prime[j]]=false;
            //如果i整除prime[j],则说明prime[j]正好是i*prime[j]最小质因数
            //后面的prime[j+1]大于最小质因数，退出循环
            if(i%prime[j]==0)
                break;
        }
	}
}

但是这个写法的实际运行时间可能与优化后的埃式筛法近似，因为存在低效的取模运算。

3.质因数分解

算术基本定理

任何一个大于1的正整数都能唯一分解为有限个质数的乘积，可写作：
$$N=p_1^{c_1}{p}_2^{c_2}...p_m^{c_m}$$
其中$c_i$都是正整数，$p_i$都是质数，且满足$p_1<p_2<...<p_m$。

试除法

结合质数判定的“试除法”和质数筛选的“Eratosthenes筛法”，我们可以扫描$2\sim \lfloor \sqrt{N}\rfloor$的每个数$d$，若$d$能整除$N$，则从$N$中除掉所有因子$d$，同时累计除去的$d$的个数。时间复杂度为$O(\sqrt{N})$。

void divide(int n)
{
    m=0;
    for(int i=2;i<=sqrt(n);++i)
    {
        if(n%i==0)//i是质数
        {
            p[++m]=i,c[m]=0;
            while(n%i)
                n/=i,c[m]++;
        }
	}
    if(n>1) //n是质数
        p[++m]=n,c[m]=1;
}

“Pollard's Rho”算法是一个比“试除法”效率更高的质因数分解方法。