埃氏算法C++实现: 快速输出质数( 素数 )

目录

1.简介

算法原理

算法特点

应用场景

2.一般求素数方法

3.埃氏算法求素数

3.1.无动态分配

3.2.有动态分配


1.简介

埃氏算法(Eratosthenes Sieve) ‌,全称为埃拉托斯特尼筛法,是一种由古希腊数学家埃拉托斯特尼在公元前3世纪提出的古老而经典的算法,用于计算一定范围内的素数。其基本思想是通过从小到大遍历每个数字,并将其所有倍数标记为非质数,从而逐步排除所有非质数,最终得到所有的素数。‌

算法原理

埃氏筛法的基本原理是:要得到自然数n以内的全部素数,必须把不大于√n的所有素数的倍数剔除,剩下的就是素数。具体步骤如下:

  1. 初始化:创建一个布尔类型的数组(或列表),用于表示范围内的所有数字,初始时将所有元素标记为"true",表示都是素数(或待检定的数)。
  2. 遍历与筛选:从2开始遍历数组中的每个数。如果当前数字被标记为素数(即为"true"),则进行下一步筛选操作;否则,跳过该数字。对于当前素数p,从p的平方开始,将p的倍数(如2p、3p、4p等)标记为非质数(即为"false"),因为p的所有小于p平方的倍数在之前的步骤中已经被更小的素数筛选过了。
  3. 重复操作:继续向后遍历,重复步骤2的筛选过程,直到遍历完整个范围。
  4. 输出结果:遍历结束后,所有未被标记为非质数(仍为"true")的数字都是素数,将其输出即可。

算法特点

  1. 简单直观‌:埃氏筛法的原理简单易懂,实现起来也较为直接。
  2. 高效性‌:虽然算法的时间复杂度为O(nloglogn),但在实际应用中,它仍然是寻找一定范围内素数的高效方法之一。
  3. 历史悠久‌:作为一种古老的算法,埃氏筛法在数学史上占有重要地位,是素数研究的基础工具之一。

应用场景

埃氏筛法广泛应用于数论、密码学、计算机科学等领域,特别是在需要快速生成大量素数时,其高效性得到了充分体现。例如,在密码学中的RSA算法中,就需要生成大量的素数作为密钥的基础。

2.一般求素数方法

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

bool is_prime(int num) {
    if (num <= 1) return false;
    if (num == 2) return true; // 2 is the only even prime number
    if (num % 2 == 0) return false; // other even numbers are not primes
    
    int sqrt_num = static_cast<int>(sqrt(num));
    for (int i = 3; i <= sqrt_num; i += 2) {
        if (num % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

void find_primes_up_to(int n, int* primes, int& prime_count) {
    prime_count = 0;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        if (is_prime(i)) {
            primes[prime_count++] = i;
        }
    }
}

int main() {
    int n;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> n;
    
    // Assuming the maximum number of primes is n/2 (an overestimate)
    int* primes = new int[n / 2];
    int prime_count;
    
    find_primes_up_to(n, primes, prime_count);
    
    cout << "Prime numbers up to " << n << " are: ";
    for (int i = 0; i < prime_count; ++i) {
        cout << primes[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    delete[] primes; // Free the allocated memory
    return 0;
}

3.埃氏算法求素数

3.1.无动态分配

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

bool is_prime(int num) {
    if (num <= 1) return false;
    if (num == 2) return true; // 2 is the only even prime number
    if (num % 2 == 0) return false; // other even numbers are not primes
    
    int sqrt_num = static_cast<int>(sqrt(num));
    for (int i = 3; i <= sqrt_num; i += 2) {
        if (num % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

void find_primes_up_to(int n, int primes[], int& prime_count) {
    prime_count = 0;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        if (is_prime(i)) {
            primes[prime_count++] = i;
        }
    }
}

int main() {
    int n;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> n;
    
    // Assuming the maximum number of primes is n/2 (an overestimate)
    int primes[n / 2];
    int prime_count;
    
    find_primes_up_to(n, primes, prime_count);
    
    cout << "Prime numbers up to " << n << " are: ";
    for (int i = 0; i < prime_count; ++i) {
        cout << primes[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

3.2.有动态分配

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

bool is_prime(int num) {
    if (num <= 1) return false;
    if (num == 2) return true; // 2 is the only even prime number
    if (num % 2 == 0) return false; // other even numbers are not primes
    
    int sqrt_num = static_cast<int>(sqrt(num));
    for (int i = 3; i <= sqrt_num; i += 2) {
        if (num % i == 0) return false;
    }
    return true;
}

void find_primes_up_to(int n, int* primes, int& prime_count) {
    prime_count = 0;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) {
        if (is_prime(i)) {
            primes[prime_count++] = i;
        }
    }
}

int main() {
    int n;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> n;
    
    // Assuming the maximum number of primes is n/2 (an overestimate)
    int* primes = new int[n / 2];
    int prime_count;
    
    find_primes_up_to(n, primes, prime_count);
    
    cout << "Prime numbers up to " << n << " are: ";
    for (int i = 0; i < prime_count; ++i) {
        cout << primes[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    delete[] primes; // Free the allocated memory
    return 0;
}
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