算法通关村-----数论问题解析

最大公约数和最小公倍数

概念描述

最大公约数（GCD）是指两个或多个整数共有约数中的最大值。
最小公倍数（LCM）是指两个或多个整数共有的倍数中的最小值

方法介绍

碾转相除法

一种用于计算两个整数的最大公约数（GCD）的方法。它基于以下原理：两个数的最大公约数等于其中较小数除以它们的余数的最大公约数。
该算法的步骤如下：

将两个整数记为a和b，其中a是较大的数，b是较小的数。
用a除以b，得到一个商q和余数r。
如果r等于0，则b就是最大公约数，算法结束。
如果r不等于0，则将a更新为b，b更新为r，然后返回第二步继续执行。
重复执行步骤2-4，直到余数为0为止。

两个数的乘积除以两个数的最大公约数即为两个数的最小公倍数

代码实现

求解最大公约数

public int gcd(int a, int b) {int k = 0;while (k!=0){k = a%b;a = b;b = k;};return a;
}

求解最小公倍数

public int mcl(int a, int b) {int gcd = gcd(a, b);return a * b / gcd;
}

素数与合数

概念介绍

素数又称为质数，素数首先要满足大于等于2，并且除了1和它本身之外，不能被任何其他自然数整除。其他数都是合数。比较特殊的是1即非素素数，也非合数。2是唯一的同时为偶数和素数的数字。

方法介绍

要判断一个数是否为质数，可以使用以下方法：

特殊情况处理：首先排除小于2的数，因为质数定义为大于1的自然数。
试除法：从2开始，逐个将待判断的数除以从2到其平方根范围内的所有整数（包括平方根），如果能够整除，则该数不是质数。如果在整个范围内都没有找到能整除的数，则该数是质数。

代码实现

public boolean isPrime(int num){int max = (int)Math.sqrt(num);for (int i = 2; i<=max;i++){if(num%i==0){return false;}}return true;
}

质数计数

问题描述

给定整数 n ，返回所有小于非负整数 n 的质数的数量。详见leetcode204

问题分析

最直接的方式就是从2开始遍历，每次利用上面的质数判断代码对每一个数字进行判断，如果是质数，计数器➕1，直至计数器为n，返回当前质数。这样做时间复杂度过高。可以通过空间换时间的方式来操作，设置一个长度为n的数组，初始时，设置数组全为1，之后，从下标2开始遍历，如果数组当前值为1,质数计数器➕1，并将当前数字的倍数以及与倍数相关的非质数下标设置为0，最后返回质数计数器的值。这种方式也被称为埃氏筛

代码实现

直接方式

public int countPrimes(int n) {int count = 0;for(int i=2;i<n;i++){if(isPrime(i)){count++;}}return count;
}public boolean isPrime(int num){int max = (int)Math.sqrt(num);for (int i = 2; i<=max;i++){if(num%i==0){return false;}}return true;
}

埃氏筛方式

public int countPrimes(int n) {int[] isPrime = new int[n];int count = 0;Arrays.fill(isPrime,1);for(int i=2;i<n;i++){if(isPrime[i]==1){count++;if((long)i*i<n){for(int j=i*i;j<n;j+=i){isPrime[j]=0;}}}}return count;
}

丑数判断

问题描述

丑数就是只包含质因数 2、3 和 5 的正整数。

给你一个整数 n ，请你判断 n 是否为丑数。如果是，返回 true ；否则，返回 false 。详见leetcode263

问题分析

可以直接根据丑数的概念进行判断。如果不包含质因数或者包含质因数 2、3 和 5 的正整数即为丑数

代码实现

public boolean isUgly(int n) {if(n<=0){return false;}int[] factors = new int[]{2,3,5};for(int factor:factors){while(n%factor==0){n = n/factor;}}return n==1;
}

丑数计数

问题描述

给你一个整数 n ，请你找出并返回第 n 个丑数。详见leetcode264

问题分析

最直接的方式就是从1开始遍历，每次利用上面的丑数判断代码对每一个数字进行判断，如果是质数，计数器➕1，直至计数器为n，返回当前丑数。这样做时间复杂度过高。可以通过空间换时间的方式来操作，设置一个小顶堆，初始时，将最小的丑数1加入队中，循环n次，每次将堆顶元素x移除，每次将2x,3x,5x放入堆中，为了避免重复，可以使用集合过滤，循环n次之后，最小的第n个丑数出堆返回

代码实现

直接方式

public int nthUglyNumber(int n) {int count = 0;int i=1;while(true){if(isUgly(i)){count++;if(count==n){return i;}}i++;}
}public boolean isUgly(int num){if(num<=0){return false;}int[] factors = new int[]{2,3,5};for(int factor:factors){while(num%factor==0){num = num/factor;}}return num==1;
}

最小堆方式

public int nthUglyNumber(int n) {int[] factors = {2, 3, 5};Set<Long> seen = new HashSet<Long>();PriorityQueue<Long> heap = new PriorityQueue<Long>();seen.add(1L);heap.offer(1L);int ugly = 0;for (int i = 0; i < n; i++) {long curr = heap.poll();ugly = (int) curr;for (int factor : factors) {long next = curr * factor;if (seen.add(next)) {heap.offer(next);}}}return ugly;
}