Понятие простого числа удобный способ отыскания простых чисел решето эратосфена

Список секций
Математика
ПРОСТЫЕ ЧИСЛА И РЕШЕТО ЭРАТОСФЕНА

ПРОСТЫЕ ЧИСЛА И РЕШЕТО ЭРАТОСФЕНА

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Введение

Впервые о простых числах мы узнали в 6 классе на уроке математики, когда изучали тему «Простые и составные числа». Так же на форзаце учебника «Математика-6» имеется таблица простых чисел до числа 997 (Приложение 1). Мы знаем то, что находится на форзаце, имеет важную значимость в изучении данного предмета. И действительно, это подтвердилось при дальнейшем изучении математики

Мы заинтересовались происхождением простых чисел, алгоритмами нахождения простых чисел, алгоритмом создания таблиц простых чисел, в частности, «решетом Эратосфена».

Работу начали с анкетирования учащихся 6 – 10 классов нашей школы, чтобы выяснить знают ли они:

1. Что такое решето?

2. Какие числа называются простыми?

3. Кто такой Эратосфен?

4. Что такое «решето Эратосфена»?

В опросе приняли участие 90 человек. Результаты оказались следующими (Приложение 2).

Проанализировав ответы учащихся, мы убедились, что наша тема актуальна. Поэтому мы и решили глубже исследовать тему «Простые числа» и рассказать другим ученикам о простых числах на модели «решето Эратосфена».

Гипотеза: Действительно ли мы можем найти простое число больше 997.

Цель работы: изучить алгоритм построения «решета Эратосфена» и изготовить его материальную модель для использования на уроках математики.

Задачи:

1.Изучить имеющуюся литературу по теме проекта.

2.Провести опрос по теме проекта.

3.Найти простые числа, больше числа 997.

4.Изготовить материальную модель решета Эратосфена.

Объект исследования: простые числа, «решето Эратосфена»

Предмет исследования: таблица простых чисел

Методы исследования:

1.Работа с учебной и научно-популярной литературой, ресурсами сети Интернет.

3. Опыты и эксперименты с простыми числами

Этапы проекта:

2. Основная часть

2.1. Краткое описание используемых понятий

Решето – это утварь для просеивания муки, состоящая из широкого обруча и натянутой на него с одной стороны сетки. Решето отличается от сита более крупным размером отверстий сетки. (Толковый словарь Ушакова)

Решето -1) Предмет обихода широкий обруч с натянутой на него частой сеткой для просеивания чего-нибудь

2) Просеивающее устройство. (Толковый словарь Ожегова)

Решето – всякая несплошная вещь со сквозниной, с промежками, пролётами; ряд установленных жёрдочек, шестиков…переплетённых вдоль и поперёк, или иным образом.(Толковый словарь Даля)

Простое число – это натуральное число, которое не имеет других делителей кроме 1 и самого себя. (Пример: число 19 = 1 * 19)

Составное число – это натуральное число, у которого есть делители,отличные от 1 и самого себя. (Пример: число 10 = 5*2)

Всякое составное число можно разложить на простые множители.(Например: 63=3*3*7 или 363= 3*11*11)

Число 1 имеет только один делитель: само это число. Поэтому оно не относит ни к простым, ни к составным числам.

Первым проблему определения простых чисел обозначил и решил древнегреческий ученый Эратосфен Киренский примерно в 220 году до нашей эры, предложив один из алгоритмов определения простых чисел. Этот способ назвали «решето Эратосфена».

В 1909 году американский математик Деррик Норман Лемер опубликовал таблицы простых чисел в промежутке от 1 до 10.017.000. Книга таблиц имеется в Российской государственной библиотеке в Москве.

Еще более титаническую вычислительную работу выполнил профессор Парижского университета славянский математик Якуб Филипп Кулик (01.05.1793- 28.02.1863).Над своей рукописью «Великий канон делителей всех чисел, не делящихся на 2, 3 и 5, и заключенных между ними простых чисел до 100 300 201» он работал последние 20 лет жизни, не имея никакой надежды на его издание. Это произведение до сих пор не напечатано. Оно хранится в библиотеки Венской АкадемииНаук.

2.2. Биография Эратосфена

Вопросом изучения простых чисел, закономерности их появления и поиском самого большого простого числа математики занимаются очень давно. Первые сведения о простых числах, встречаются в трудах древне – греческого математика Эратосфена Киренского (276г.до н.э-194г. до н.э).

Греческий математик Эратосфен, живший более чем за 200 лет до н.э., составил первую таблицу простых чисел. Это один из самых разносторонних ученых античности. Особенно прославили Эратосфена труды по астрономии, географии и математике, однако он успешно трудился и в области филологии, поэзии, музыки и философии, за что современники дали ему прозвище Пентатл, т.е. Многоборец. Другое его прозвище Бета, т.е. «второй», возможно, также не содержит ничего уничижительного: им желали показать, что во всех науках Эратосфен достигает не высшего, но превосходного результата. Он первый вычислил окружность Земли, пользуясь методами геометрии.

Эратосфен родился в Африке, в Кирене. Учился сначала в Александрии, а затем в Афинах. Вероятно, именно благодаря столь широкому образованию и разнообразию интересов Эратосфен получил от Птолемея III приглашение вернуться в Александрию, чтобы стать воспитателем наследника престола и возглавить Александрийскую библиотеку (одну из первых библиотек в мире). В знаменитой библиотеке хранилось более 700 000 свитков, которые содержали все сведения о мире, известные людям той эпохи. Эратосфен принял это предложение и занимал должность библиотекаря вплоть до своей кончины. При содействии своих помощников Эратосфен первым рассортировал свитки по темам. Он дожил до глубокой старости, а когда ослеп, то перестал есть и умер от голода. Он не представлял себе жизни без возможности работать со своими любимыми книгами.

Его научные таланты удостоились высокой оценки современника Эратосфена, Архимеда, который посвятил ему свою книгу Эфодик (т.е. Метод)

2.3. Из истории появления «решета Эратосфена»

Эратосфен предложил способ нахождения простых чисел, который можно описать в виде следующего алгоритма.

1.Из ряда чисел: 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 и т. д вычёркиваем числа кратные 2.

2.Затем, вычёркиваем числа кратные 3.

3.Вычёркиваем числа кратные 4.

4.Вычёркиваем числа кратные 5.

5.Вычёркиваем числа кратные 6 .

6.Делим, пока все составные числа не будут «просеяны», и останутся только простые числа: 2,5,7,11,.13….

Пример

Запишем натуральные числа, начиная от 2 до 20 в ряд.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Первое число в списке 2 — простое. Пройдём по ряду чисел, вычёркивая все числа кратные 2

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Следующее не вычеркнутое число 3 — простое. Пройдём по ряду чисел, вычёркивая все числа кратные 3

2 3 5 6 7 9 11 12 13 15 17 19

Процесс окончен. Все незачеркнутые числа последовательности являются простыми.

Так как греки делали записи на покрытых воском табличках или на натянутом папирусе, а числа не вычёркивали, а выкалывали иглой, то таблица в конце вычислений напоминала решето. Поэтому алгоритм Эратосфена называют решетом Эратосфена: в этом решете «отсеиваются» простые числа от составных. Таким способом в настоящее время составляют таблицы простых чисел, но уже с помощью вычислительных машин.

2.4. Практическая часть проекта: изготовление решета Эратосфена

Для изготовления «решета Эратосфена» мы взяли фанеру формата 36*42. Начертили сетку, в каждой клетке записали натуральные числа от 1001 до 1120.

Используя алгоритм построения «решета Эратосфена», проделали отверстия в тех клетках, в которых указаны составные числа.(Приложение 3)

Заключение

Мы изучили алгоритм построения «решета Эратосфена», изготовили его материальную модель, изучили литературу и провели опрос. Подтвердили гипотезу, что можно найти простое число, больше чем 997.

Следовательно – наша цель достигнута, проблема решена. Разработанные нами материалы могут использоваться на уроках математики.

Список использованной литературы

Я познаю мир. Детская энциклопедия: Математика/ Я 11 Авт.-сост. А.П. Савин и др.: — М.: ООО «Издательство АСТ», 2001.

Интернет – ресурсы( Википедия)

А.Г. Мерзляк, В.Б. Полонский, М.С. Якир. Учебник «Математика 6 класс»:Издательство «Вентана–Граф», Москва, 2014

Толковый словарь Ушакова

Толковый словарь Ожегова

Толковый словарь Даля

Приложение 1

таблица простых чисел

Приложение 2

Анкетирование

1. Что такое решето?

2. Какие числа называются простыми?

3. Кто такой Эратосфен?

4. Что такое «решето Эратосфена»?

В опросе приняли участие 90 человек. Результаты оказались следующими.

Вопрос

«да»

«нет»

Знаете ли вы что такое решето?

Знаете ли вы какие числа называются простыми?

Знаете ли вы кто такой Эратосфен?

Знаете ли вы что такое «решето Эратосфена»?

Источник

Решето Эратосфена — алгоритм определения простых чисел

Решето Эратосфена – это алгоритм нахождения простых чисел до заданного натурального числа путем постепенного отсеивания составных чисел. Образно говоря, через решето Эратосфена в процессе его тряски проскакивают составные числа, а простые остаются в решете.

Чтобы понять данный алгоритм, вспомним, что числа являются простыми, если делятся только на единицу и самих себя. Первое простое число — это 2, второе простое число — это 3. Теперь начнем рассуждать:

Все четные числа, кроме двойки, — составные, т. е. не являются простыми, так как делятся не только на себя и единицу, а также еще на 2.
Все числа кратные трем, кроме самой тройки, — составные, так как делятся не только на самих себя и единицу, а также еще на 3.
Число 4 уже выбыло из игры, так как делится на 2.
Число 5 простое, так как его не делит ни один простой делитель, стоящий до него.
Если число не делится ни на одно простое число, стоящее до него, значит оно не будет делиться ни на одно сложное число, стоящее до него.

Последний пункт вытекает из того, что сложные числа всегда можно представить как произведение простых. Поэтому если одно сложное число делится на другое сложное, то первое должно делиться на делители второго. Например, 12 делится на 6, делителями которого являются 2 и 3. Число 12 делится и на 2, и на 3.

Алгоритм Эратосфена как раз заключается в последовательной проверке делимости чисел на предстоящие простые числа. Сначала берется первое простое и из ряда натуральных чисел высеиваются все кратные ему. Затем берется следующее простое и отсеиваются все кратные ему и так далее.

При реализации алгоритма Эратосфена на языке программирования есть некоторая сложность. Допустим, мы помещаем натуральные числа до заданного числа n в массив. Далее в процессе выполнения алгоритма будем заменять обнаруженные сложные числа нулями. После выполнения алгоритма те ячейки массива, которые не содержат нули, содержат простые числа, которые выводятся на экран.

Однако индексация массива начинается с нуля, а простые числа начинаются с двойки. Эта проблема решаема, но добавляет сложности в код. Поскольку алгоритм Эратосфена не такой уж простой, легче пренебречь началом и взять массив от 0 до n . Здесь важнее индексы, чем значения элементов. Значениями может быть True, обозначающее простое число, и False, обозначающее сложное число.

В данном примере реализации алгоритма Эратосфена список заполняется числами от 0 до n включительно так, что индексы элементов совпадают с их значениями. Далее все непростые числа заменяются нулями:

Источник

Еще раз о поиске простых чисел

В заметке обсуждаются алгоритмы решета для поиска простых чисел. Мы подробно рассмотрим классическое решето Эратосфена, особенности его реализации на популярных языках программирования, параллелизацию и оптимизацию, а затем опишем более современное и быстрое решето Аткина. Если материал о решете Эратосфена предназначен в первую очередь уберечь новичков от регулярного хождения по граблям, то алгоритм решета Аткина ранее на Хабрахабре не описывался.

На снимке — скульптура абстрактного экспрессиониста Марка Ди Суверо «Решето Эратосфена», установленная в кампусе Стэнфорского университета

Введение

Напомним, что число называется простым, если оно имеет ровно два различных делителя: единицу и самого себя. Числа, имеющие большее число делителей, называются составными. Таким образом, если мы умеем раскладывать числа на множители, то мы умеем и проверять числа на простоту. Например, как-то так:
(Здесь и далее, если не оговорено иное, приводится JavaScript-подобный псевдокод)
Время работы такого теста, очевидно, есть O(n ½ ), т. е. растет экспоненциально относительно битовой длины n. Этот тест называется проверкой перебором делителей.

Довольно неожиданно, что существует ряд способов проверить простоту числа, не находя его делителей. Если полиномиальный алгоритм разложения на множители пока остается недостижимой мечтой (на чем и основана стойкость шифрования RSA), то разработанный в 2004 году тест на простоту AKS [1] отрабатывает за полиномиальное время. С различными эффективными тестами на простоту можно ознакомиться по [2].

Если теперь нам нужно найти все простые на достаточно широком интервале, то первым побуждением, наверное, будет протестировать каждое число из интервала индивидуально. К счастью, если у нас достаточно памяти, можно использовать более быстрые (и простые) алгоритмы решета. В этой статье мы обсудим два из них: классическое решето Эратосфена, известное еще древним грекам, и решето Аткина, наиболее совершенный современный алгоритм этого семейства.

Решето Эратосфена

Древнегреческий математик Эратосфен предложил следующий алгоритм для нахождения всех простых, не превосходящих данного числа n. Возьмем массив S длины n и заполним его единицами (пометим как невычеркнутые). Теперь будем последовательно просматривать элементы S[k], начиная с k = 2. Если S[k] = 1, то заполним нулями (вычеркнем или высеем) все последующие ячейки, номера которых кратны k. В результате получим массив, в котором ячейки содержат 1 тогда и только тогда, когда номер ячейки — простое число.

Много времени можно сэкономить, если заметить, что, поскольку у составного числа, меньшего n, по крайней мере один из делителей не превосходит , процесс высевания достаточно закончить на . Вот анимация решета Эратосфена, взятая с Википедии:

Еще немного операций можно сэкономить, если — по той же причине — начинать вычеркивать кратные k, начиная не с 2k, а с номера k 2 .

Реализация примет следующий вид:

Эффективность решета Эратосфена вызвана крайней простотой внутреннего цикла: он не содержит условных переходов, а также «тяжелых» операций вроде деления и умножения.

Оценим сложность алгоритма. Первое вычеркивание требует n/2 действий, второе — n/3, третье — n/5 и т. д. По формуле Мертенса

так что для решета Эратосфена потребуется O(n log log n) операций. Потребление памяти же составит O(n).

Оптимизация и параллелизация

Первую оптимизацию решета предложил сам Эратосфен: раз из всех четных чисел простым является только 2, то давайте сэкономим половину памяти и времени и будем выписывать и высеивать только нечетные числа. Реализация такой модификации алгоритма потребует лишь косметических изменений (код).

Более развитая оптимизация (т. н. wheel factorization) опирается на то, что все простые, кроме 2, 3 и 5, лежат в одной из восьми следующих арифметических прогрессий: 30k+1, 30k+7, 30k+11, 30k+13, 30k+17, 30k+19, 30k+23 и 30k+29. Чтобы найти все простые числа до n, вычислим предварительно (опять же при помощи решета) все простые до . Теперь составим восемь решет, в каждое из которых будут входить элементы соответствующей арифметической прогрессии, меньшие n, и высеем каждое из них в отдельном потоке. Все, можно пожинать плоды: мы не только понизили потребление памяти и нагрузку на процессор (в четыре раза по сравнению с базовым алгоритмом), но и распараллелили работу алгоритма.

Наращивая шаг прогрессии и количество решет (например, при шаге прогрессии 210 нам понадобится 48 решет, что сэкономит еще 4% ресурсов) параллельно росту n, удается увеличить скорость алгоритма в log log n раз.

Сегментация

Что же делать, если, несмотря на все наши ухищрения, оперативной памяти не хватает и алгоритм безбожно «свопится»? Можно заменить одно большое решето на последовательность маленьких ситечек и высевать каждое в отдельности. Как и выше, нам придется предварительно подготовить список простых до , что займет O(n ½-ε ) дополнительной памяти. Простые же, найденные в процессе высевание ситечек, нам хранить не нужно — будем сразу отдавать их в выходной поток.

Не надо делать ситечки слишком маленькими, меньше тех же O(n ½-ε ) элементов. Так вы ничего не выиграете в асимптотике потребления памяти, но из-за накладных расходов начнете все сильнее терять в производительности.

Решето Эратосфена и однострочники

На Хабрахабре ранее публиковалась большая подборка алгоритмов Эратосфена в одну строчку на разных языках программирования (однострочники №10). Интересно, что все они на самом деле решетом Эратосфена не являются и реализуют намного более медленные алгоритмы.

Дело в том, что фильтрация множества по условию (например, на Ruby) или использование генераторных списков aka list comprehensions (например, на Haskell) вызывают как раз то, избежать чего призван алгоритм решета, а именно поэлементную проверку делимости. В результате сложность алгоритма возрастает по крайней мере до (это число фильтраций), умноженного на (минимальное число элементов фильтруемого множества), где — число простых, не превосходящих n, т. е. до O(n 3/2-ε ) действий.

Однострочник на Scala ближе к алгоритму Эратосфена тем, что избегает проверки на делимость. Однако сложность построения разности множеств пропорциональна размеру большего из них, так что в результате получаются те же O(n 3/2-ε ) операций.

Вообще решето Эратосфена тяжело эффективно реализовать в рамках функциональной парадигмы неизменяемых переменных. В случае, если функциональный язык (например, OСaml) позволяет, стоит нарушить нормы и завести изменяемый массив. В [3] обсуждается, как грамотно реализовать решето Эратосфена на Haskell при помощи техники ленивых вычеркиваний.

Решето Эратосфена и PHP

Запишем алгоритм Эратосфена на PHP. Получится примерно следующее:

Вторая проблема: массивы в PHP ужасны по накладным расходам памяти. У меня на 64-битной системе каждый элемент $S из кода выше съедает по 128 байт. Как обсуждалось выше, необязательно держать сразу все решето в памяти, можно обрабатывать его порционно, но все равно такие расходы дóлжно признать недопустимыми.

Для решения этих проблем достаточно выбрать более подходящий тип данных — строку!

Теперь каждый элемент занимает ровно 1 байт, а время работы уменьшилось примерно втрое. Скрипт для измерения скорости.

Решето Аткина

В 1999 году Аткин и Бернштейн предложили новый метод высеивания составных чисел, получивший название решета Аткина. Он основан на следующей теореме.

Теорема. Пусть n — натуральное число, которое не делится ни на какой полный квадрат. Тогда

если n представимо в виде 4k+1, то оно просто тогда и только тогда, когда число натуральных решений уравнения 4x 2 +y 2 = n нечетно.
если n представимо в виде 6k+1, то оно просто тогда и только тогда, когда число натуральных решений уравнения 3x 2 +y 2 = n нечетно.
если n представимо в виде 12k-1, то оно просто тогда и только тогда, когда число натуральных решений уравнения 3x 2 −y 2 = n, для которых x >y, нечетно.

C доказательством можно ознакомиться в [4].

Из элементарной теории чисел следует, что все простые, большие 3, имеют вид 12k+1 (случай 1), 12k+5 (снова 1), 12k+7 (случай 2) или 12k+11 (случай 3).

Для инициализации алгоритма заполним решето S нулями. Теперь для каждой пары (x, y), где , инкрементируем значения в ячейках S[4x 2 +y 2 ], S[3x 2 +y 2 ], а также, если x > y, то и в S[3x 2 −y 2 ]. В конце вычислений номера ячеек вида 6k±1, содержащие нечетные числа, — это или простые, или делятся на квадраты простых.

В качестве заключительного этапа пройдемся по предположительно простым номерам последовательно и вычеркнем кратные их квадратам.

Из описания видно, что сложность решета Аткина пропорциональна n, а не n log log n как у алгоритма Эратосфена.

Авторская, оптимизированная реализация на Си представлена в виде primegen, упрощенная версия — в Википедии. На Хабрахабре публиковалось решето Аткина на C#.

Как и в решете Эратосфена, при помощи wheel factorization и сегментации, можно снизить асимптотическую сложность в log log n раз, а потребление памяти — до O(n ½+o(1) ).

О логарифме логарифма

На самом деле множитель log log n растет крайне. медленно. Например, log log 10 10000 ≈ 10. Поэтому с практической точки зрения его можно полагать константой, а сложность алгоритма Эратосфена — линейной. Если только поиск простых не является ключевой функцией в вашем проекте, можно использовать базовый вариант решета Эратосфена (разве что сэкономьте на четных числах) и не комплексовать по этому поводу. Однако при поиске простых на больших интервалах (от 2 32 ) игра стоит свеч, оптимизации и решето Аткина могут ощутимо повысить производительность.

P. S. В комментариях напомнили про решето Сундарама. К сожалению, оно является лишь математической диковинкой и всегда уступает либо решетам Эратосфена и Аткина, либо проверке перебором делителей.

Источник