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判断一个数是否是质数

news 来源：原创 2024/4/19 22:35:28

判断一个数是否是质数。

方法1.

在大于 1 的自然数中，如果 num 有除了 1 和自身以外的因数，说明 num 不是质数，返回 0。

最简单的方法是 i 从 2 到 num-1 都试一遍，看是否能整除 num。

若 i 能整除 num，则 num 不是质数，返回 0.
若循环结束，没找到能整除 num 的 i，则 num 是质数，返回 1.

设 num 为合数，有 num = i * j。若 i > √num，推出 j 的取值范围。

i = num/j > √num
num > √num * j
等式两边同时除以 √num：√num > j
整理得：j < √num

一个因数 i > √num，则另一个因数 j < √num。在 [2, √num] 范围内，必有一整数能整除 num。换言之，如果遍历到 i > √num 时，未能有 i 能整除 num，则 num 为质数。

所以 i 没必要从 2 到 num-1，到 √num 就行。

例 53，√53 ≈ 7.28，当循环到 i = 8 时，假设 53 为合数，53 = 8 * j，8 > √53，所以 j < √53，j <= 7，而在之前的遍历中 i = 2、i = 3、… i = 7 并没有出现 num % i == 0 的情况，否则循环直接终止，所以没有这样的 j 能整除 num。

i <= √num
等式两边平方得：i * i <= num
考虑到 i * i 容易溢出，转为：i <= num/i

int isPrime(int num) {
    if (num <= 1) {
		return 0;
	}
    for (int i = 2; i <= num / i; i++) {
        // 若 i 能整除 num，则 i 是 num 的因数，所以 num 不是质数，循环终止
        if (num % i == 0) {
            return 0;
        }
    }
    return 1;
}

方法1算 1 亿以内(包括 1 亿)的质数个数有些困难。

方法2.

创建数组 primeArr，下标为 num。

primeArr[num] 为 0，代表 num 是质数。
primeArr[num] 为 1，代表 num 是合数。
primeArr[num] 为 -1，代表 num 既不是合数也不是质数。

num 为质数时，则 num 的倍数即 num * k 为合数，则 primeArr[num * k] = 1，k 从 2 到 (length-1)/num。

但请看：

2：4, 6, 8, 10...
3：6, 9, 12, 15...
5：10, 15, 20, 25...

第一轮循环 primeArr[2] = 0、primeArr[4] = 1、primeArr[6] = 1…

第二轮循环 primeArr[3] = 0、primeArr[6] = 1、primeArr[9] = 1…

primeArr[6] 重复设置。

primeArr[3 * 2] 已在 primeArr[2 * 3] 时被设置为 1。

primeArr[4 * 2] 已在 primeArr[2 * 4] 时被设置为 1；primeArr[4 * 3] 已在 primeArr[3 * 4] 时设置为 1…

综上，k ∈ [2, num-1] 已经在之前的循环中被设置，不妨令 k 从 num 开始。

2：4, 6, 8, 10...
3：9, 12, 15, 18...
5：25, 30, 35, 40...

#include <stdio.h>

#define MAX_LENG 100000
static int primeArr[MAX_LENG];
static int isInit = 0;

int primeInit() {
    int primeCount = 0;
    primeArr[0] = primeArr[1] = -1;
    
    for (int num = 2; num < MAX_LENG; num++) {
        if (primeArr[num] == 0) {
            primeCount++;
            // 怕 k * num 溢出
            for (int k = num; k < (MAX_LENG) / (num+0.0); k++) {
                primeArr[num * k] = 1;
            }
            // 或者使用 i += num，i 为 num 的倍数
            /*
            	for (int i = num * num; i < MAX_LENG; i += num) {
            		primeArr[i] = 1;
            	}
            */
        }
    }
    isInit = 1;
    return primeCount;
}
int isPrime(int num) {
    if (num >= MAX_LENG) {
        printf("只支持 [0, %d] 范围内的查询\n", MAX_LENG-1);
        return 0;
    }
    if (!isInit) {
        int primeCount = primeInit();
        printf("[0, %d] 范围内的质数个数：%d\n", MAX_LENG-1, primeCount);
    }
    return primeArr[num] == 0 ? 1 : 0;
}

方法3.

方法 2 中也有很多数被重复设置，如

12：2 * 6、3 * 4 重复设置。
18：2 * 9、3 * 6 重复设置。
24：2 * 12、3 * 8 重复设置。
45：5 * 9、3 * 15 重复设置。
…

所以考虑换个方案。

让 k 从 2 到 num。k >= num+1 的部分交给下几轮循环，如 num = 4，k = 5 可以交给 num = 5，k = 4。

2：4
3：6，9
4：8，12，16
5：10，15，20，25
6：12，18，24，30，26
7：14，21，28，35，42，49
8：16，24，32，40，48，56，64
9：18，27，36，45，54，63，72，81

注意看，第 3 行、第 5 行的 12 重复。

num % k == 0
设 num / k = n
那么 num * (k+1) = n*k * (k+1)
num * (k+1) 在循环的 num = n*(k+1) 时重复设置

类似的 num * (k+2) = n*(k+2) * k 重复设置

这意味当 k 能整除 num 时，k 没必要++，num * (k+?) 会在之后的循环中被设置，本次循环到此终止。

例 num = 9，k = 3 时，9 % 3 == 0，9 * 4 = 3 * 3 * 4 = 12 * 3，36 被 9 * 4 和 12 * 3 重复设置。

例当 num 为偶数，k = 2 时，num % k == 0，则 k 到此终止，没必要++。如 num = 4，k = 2，k = 3、k = 4… 留给 num = 6、num = 8… 设置。

2：4
3：6，9
4：8
5：10，15，20，25
6：12
7：14，21，28，35，42，49
8：16
9：18，27
10：20
11：22，33，44，55，66，77，88，99，110，121
12：24
13：26，39，52，65，78，91，104，117，130，143，156，169

注意，第 10 行的 44 = 11 * 4 = 11 * 2 * 2 = 22 * 2。

由于合数 4 可以分解为多个质数的乘积，所以在 num = 22，k = 2 时，也重复设置了。需要规定 k 必须为质数，即 k = 2、3、5、7、11、13、17…

2：4
3：6，9
4：8
5：10，15，25
6：12
7：14，21，35，49
8：16
9：18，27
10：20
11：22，33，55，77，121
12：24
13：26，39，65，91，143，169

#include <stdio.h>

#define MAX_LENG 1000000
static int primeArr[MAX_LENG];
static int isInit = 0;

int primeInit() {
    primeArr[0] = primeArr[1] = -1;
	int primeCount = 0;

    for (int num = 2; num < MAX_LENG; num++) {
		if (primeArr[num] == 0) {
			primeCount++;
		}
		// k ∈ [2, num]
        // 第2个条件可以修改为 k < (MAX_LENG) / (num+0.0)
        for (int k = 2; k <= num && k*num < MAX_LENG; k++) {
			// k 必须为质数
            if (primeArr[k] == 0) {
            	primeArr[num * k] = 1;
				// 若 num % k == 0，设 num = n * k
				// num *(k+1)、num *(k+2)... 留给 num = n*(k+1)、n*(k+2)...时设置
            	if (num % k == 0) break;
            }
        }
    }
    isInit = 1;
	return primeCount;
}
int isPrime(int num) {
    if (num >= MAX_LENG) {
        printf("只支持 [0, %d] 范围内的查询\n", MAX_LENG-1);
        return 0;
    }
    if (!isInit) {
        int primeCount = primeInit();
		printf("[0, %d] 范围内的质数个数：%d\n", MAX_LENG-1, primeCount);
    }
    return primeArr[num] == 0 ? 1 : 0;
}

10以内的质数个数：4
100以内的质数个数：25
1000以内的质数个数：168
10000以内的质数个数：1229
100000以内的质数个数：9592
1000000以内的质数个数：78498
10000000以内的质数个数：664579
100000000以内的质数个数：5761455
1000000000以内的质数个数：50847534