求素数个数

Posted 2022-11-17 高爽 Coder

我最近在leetcode上撸了一个小算法，虽然已经工作了五年，当看到每次代码提交后排名的提升，内心依然很有成就感。题目比较简单，求小于n的素数个数，素数也叫质数，具有以下特点：

• 正整数
• 只能被1和本身整除
• 1既不是素数也不是合数，所以最小的素数是2

根据上面的特点，我们还可以推断出：

• 除了2，其它的素数都是奇数

依据这一点，我们可以写出下面的实现：

class Solution 
    public int countPrimes(int n) 
        if (n < 3) 
            return 0;
        
        int count = 1;// 2
        for (int i = 3; i < n; i += 2) 
            // 只判断奇数是不是素数
            boolean isPrime = true;
            for (int j = 3; j * j <= i; j += 2) 
                // 奇数不可能被偶数整除，所以只试除奇数
                if (i % j == 0) 
                    isPrime = false;
                    break;
                
            
            if (isPrime) 
                count++;
            
        
        return count;
    

j * j <= i相当于j <= Math.sqrt(i)，但速度会快一点，那为什么只需要判断到√i呢，因为对于一个非素数(合数)，其最小约数(除1外)必小于等于其平方根。

这个实现被Accept了，但时间复杂度较高，排名也很靠后。这个算法中，判断一个奇数i是不是素数，是通过试除小于等于√i的奇数来实现，这会有重复计算的场景，比如3和9，5和15，根据素数和合数的特点，可以推断出任意一个合数都可以分解成几个素数的乘机，所以我们可以通过试除小于等于√i的素数来判断i是不是素数，素数相对于奇数，无疑减少了很多判断次数。

class Solution 
    public int countPrimes(int n) 
        if (n < 3) 
            return 0;
        
        int count = 0;
        int[] primes = new int[n / 2];
        for (int i = 3; i < n; i += 2) 
            // 只判断奇数是不是素数
            boolean isPrime = true;
            for (int j = 0; j < count && primes[j] * primes[j] <= i; j++) 
                // 只试除素数
                if (i % primes[j] == 0) 
                    isPrime = false;
                    break;
                
            
            if (isPrime) 
                primes[count++] = i;
            
        
        return count + 1;// 2
    

效果好了一些，但这个实现时间复杂度依然很高，比试除法更高效的是筛选法，筛选法的策略是将素数的倍数全部筛掉，剩下的就是素数了，下图很生动的体现了筛选的过程：

筛选的过程是先筛掉非素数，针对本文的题目，每筛掉一个，素数数量-1即可，上面说过素数的一个特点，除了2，其它的素数都是奇数，所以我们只需在奇数范围内筛选就可以了。

class Solution 
    public int countPrimes(int n) 
        if (n < 3) 
            return 0;
        
        int count = n / 2;// 筛掉一半偶数
        boolean[] notPrime = new boolean[n];
        for (int i = 3; i * i < n; i += 2) // 只筛3≤i<√n奇数
            if (!notPrime[i])         
                // 筛掉素数的奇数倍数
                for (int j = i * i; j < n; j += 2 * i) // 从i*i开始筛
                    if (!notPrime[j]) 
                        notPrime[j] = true;
                        count--;
                    
                
            
        
        return count;
    

示例	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	备注
i=3	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	3->9,15,21,27
i=5	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	5->25

对于一个奇数i，会依次筛掉i*i,i(i+2),i(i+4),i(i+6)…i(i+2n)，那么为什么不筛3i,5i,7i…(i-4)i,(i-2)i呢，因为他们已经被筛过了，当我们要筛掉奇数i的倍数时，那么i之前的奇数(i-2,i-4…7,5,3)的倍数((i-2)i,(i-4)i…7i,5i,3i)已经被筛掉了，这个算法的效果还不错。

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