C++如何判断一个数是素数_C++质数判断的高效算法实现

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判断素数的高效方法是检查2到√n间的因子。基础优化:n

C++如何判断一个数是素数_C++质数判断的高效算法实现

判断一个数是否为素数(质数)是c++编程中的常见问题。素数是指大于1且只能被1和自身整除的自然数。最简单的实现方式是从2遍历到n-1,但效率极低。下面介绍几种高效且实用的C++实现方法。

基础优化:只检查到√n

一个合数必然有一个小于或等于其平方根的因子。因此,我们只需检查从2到√n之间的所有数即可。

bool isPrime(int n) {     if (n <= 1) return false;     if (n == 2) return true;     if (n % 2 == 0) return false; // 排除偶数     for (int i = 3; i * i <= n; i += 2) {         if (n % i == 0) return false;     }     return true; }

这个版本跳过了所有偶数(除了2),减少了约一半的循环次数,适用于中等大小的数(如n

进一步优化:6k±1 法则

除了2和3,所有素数都可以表示为6k±1的形式。利用这一点可以大幅减少判断次数。

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bool isPrime(int n) {     if (n <= 1) return false;     if (n <= 3) return true;     if (n % 2 == 0 || n % 3 == 0) return false;     for (int i = 5; i * i <= n; i += 6) {         if (n % i == 0 || n % (i + 2) == 0)             return false;     }     return true; }

该方法先排除能被2或3整除的数,然后从5开始,每次检查i和i+2(即6k-1和6k+1),步长为6。在实际测试中比前一种更快。

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处理大数:Miller-Rabin 概率算法

当n非常大(如超过1e18)时,确定性算法太慢。Miller-Rabin是一种高效的概率性素数测试算法,适合大数场景。

基本思路是基于费马小定理和二次探测定理,通过多次随机测试来判断是否“极大概率”为素数。

#include <bits/stdc++.h> using namespace std; <p>long long modMul(long long a, long long b, long long mod) { return (__int128)a * b % mod; }</p><p>long long modPow(long long base, long long exp, long long mod) { long long result = 1; while (exp > 0) { if (exp & 1) result = modMul(result, base, mod); base = modMul(base, base, mod); exp >>= 1; } return result; }</p><p>bool millerRabin(long long n, long long a) { if (n % a == 0) return false; long long d = n - 1; while (d % 2 == 0) { if (modPow(a, d, n) == n - 1) return true; d >>= 1; } long long temp = modPow(a, d, n); return temp == 1 || temp == n - 1; }</p><p>bool isPrime(long long n) { if (n < 2) return false; if (n == 2 || n == 3) return true; if (n % 2 == 0) return false;</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>// 对于 32 位整数,使用这些底数可保证正确性 vector<long long> bases = {2, 7, 61}; for (long long a : bases) {     if (a >= n - 1) break;     if (!millerRabin(n, a)) return false; } return true;

}

该实现对32位以内的整数完全准确。对于更大的数,可增加测试底数(如2, 325, 9375, 28178, 450775, 9780504, 1795265022)以提高准确性。

基本上就这些。小数用6k±1法足够快,大数考虑Miller-Rabin。关键在于根据数据范围选择合适的方法。

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