各种友(e)善(xin)数论总集,从入门到绝望3---线性筛与其最重要的作用 例题 埃式筛 欧拉筛 欧拉筛筛积性函数


感觉原来那篇文章已经卡的不行了,赶紧搬出来QAQ。

题目描述
【题意】
素数表如下:
2、3、5、7、11、13、17…………
有n次询问,每次问第几个素数是谁?
【输入格式】
第一行n(1<=n<=10000)
下来n行,每行一个整数pi,表示求第pi个素数。1<=pi<=100 0000
【输出格式】
每次询问输出对应的素数。
【样例输入】
3
1
4
7
【样例输出】
2
7
17

线性筛素数有两种,埃式筛和欧拉筛。

埃式筛

我们可以知道,一个数字如果不是质数,那么它的最小质因子一定小于等于这个数字的开平方。

很容易想到,不详细解释。

那么求(1)(b)的素数的话,我们可以知道,(1)(b)的合数的最小质因数也是一定小于等于(sqrt b)的,那么我们只需要求出(sqrt b)内的所有素数并且暴力for一遍,空间小,复杂度为(O(nloglogn))

for(int  i=2;i<=sqrt(b);i++)
{
    if(mp[i]==false)//为素数
    {
        for(int  j=i;j<=b;j+=i)mp[j]=true;
    }
}

给出一种神奇卡常版:

for(register  int  i=3;i<=sqrt(m);i+=2)
{
    if(a[i/2]==true)
    {
        for(register  int  j=i*3;j<=m;j+=i*2)a[j/2]=false;
    }
}

但是,还是可以优化的,每次跳的时候从(i^2)开始跳,因为前面的有更小的素数去更新。

for(int  i=2;i<=sqrt(b);i++)
{
    if(mp[i]==false)//为素数
    {
        for(int  j=i*i;j<=b;j+=i)mp[j]=true;
    }
}

这个的神奇卡常版就不加了QAQ。

复杂度正确,貌似是用调和级数来证,我不会QAQ。

欧拉筛

后面题目主要用欧拉筛,复杂度(O(n))

这个就很神奇了,先给出代码:

#include<cstdio>
#include<cstring>
#define  N  21000000
using  namespace  std;
int  ins[2100000];//素数表
bool  mp[N];
int  main()
{
	for(int  i=2;i<=20000000;i++)
	{
		if(!mp[i])ins[++ins[0]]=i;//存入素数表
		for(int  j=1;j<=ins[0]  &&  ins[j]*i<=20000000;j++)
		{
			mp[ins[j]*i]=true;
			if(i%ins[j]==0)break;
		}
	}
	int  n;scanf("%d",&n);
	for(int  i=1;i<=n;i++)
	{
		int  x;scanf("%d",&x);
		printf("%d
",ins[x]);
	}
	return  0;
}

许多人疑问这一句

if(i%ins[j]==0)break;

如果(ins_{j}|i),那么就可以break了,Why?那么我们设(i)(d*ins_{j}),设(k>j)(i*ins_{k}=d*ins_{j}*ins_{k}=(d*ins_{k})*ins_{j}),我们可以知道(d*ins_{k}>d*ins_{j}),那么在以后的循环,(i*ins_{k})会被重复标记,那么此时就可以break了,一句话就这么精妙。

超级卡常版:

for(register  int  i=3;i<=m;i+=2)
{
    if(a[i/2]==true)b[++k]=i;
    for(register  int  j=1;j<=k  &&  b[j]*i<=m;++j)
    {
        a[b[j]*i/2]=false;
        if(i%b[j]==0)break;
    }
}

当然,慎用卡常版。

其实我是乱搞的

复杂度证明及其性质

对于合数(x),设其最小的约数(y),那么他有没有可能被大于(y)的约数所(z)找到呢?

那么就是(frac{x}{z}*z),但是(y|frac{x}{z}),所以在找到(x)的时候就会退出,所以每个数字只会被其最小约数找到,所以就是(O(n))

另外提一下,因为其只能被最小约数筛,所以经常被用来筛积性函数。

还有一个性质也经常被用到:如果(i)被某个质数(x)整除(就是进入了(if)),那么(i*x)的某个质数因子的指数一定大于(1)

欧拉筛筛积性函数

关于积性函数的定义可以去看“各种友(e)善(xin)数论总集,从入门到绝望4(狄利克雷卷积与莫比乌斯反演)”

对于一般的积型函数:(f(i)f(j)=f(ij))(gcd(i,j)=1)

我们可以对于每个数字(i)都存一个(low)值,表示的是最小的约数次幂,即对于一个数字拆成:(p_{1}^{a_{1}}...p_i^{a_i}(p_1<p_2<p_3<...))(p)都是质数),那么(low)存的就是(p_1^{a_1})

而当我们在找到一个质数的时候,就处理其次幂的函数值(这也是积性函数中最需要推的东西)。

所以一个数字(x)就可以被拆成(frac{x}{low_x})(low_x)了。

而对于完全积性函数,不用存(low)值,而对于某些具有一定性质的完全积性函数,我们也可以采用某些神奇的仿写省掉(low),常见的做法就是对于(i)被某个质数整除和没有被整除的情况分别讨论,如:(phi(φ))函数。

具体操作请参照欧拉函数。