کامپیوتر, مهندسی 12186 بازدید

افرادی که در رقابت‌های برنامه‌نویسی شرکت می‌کنند می‌دانند که اعداد اول، از جمله موضوعات کلیدی است که طراحان سوال به آن می‌پردازند و سوالاتی پیرامون اعداد اول طرح می‌کنند. این در حالی است که دانشجویان رشته‌های علوم و مهندسی کامپیوتر نیز در دروسی مانند مبانی برنامه‌نویسی، ساختمان داده‌ها و طراحی الگوریتم با مسائل متعدد مربوط به اعداد اول آشنا می‌شوند. در این مطلب، چندین الگوریتم تشخیص عدد اول معرفی و در «زبان برنامه‌نویسی پایتون» (Python Programming Language) پیاده‌سازی می‌شوند. در واقع، چگونگی بهینه‌سازی تابع برای تعیین اعداد اول در یک دامنه داده شده تشریح می‌شود و سپس، زمان اجرای روش‌های بهینه بیان شده محاسبه می‌شوند. پیش از این نیز در مطلبی با عنوان «برنامه تشخیص اعداد اول در پایتون — به زبان ساده» به الگوریتم تشخیص اعداد اول پرداخته شده بود.

بر اساس تعریف، عدد اول یک عدد صحیح مثبت است که تنها بر خودش و ۱ تقسیم‌پذیر است. برای مثال، ۲، ۳، ۳، ۵ و ۷ اعداد اول هستند. اما، اگر یک عدد را بتوان به اعداد کوچک‌تر از خودش تجزیه کرد، به آن «عدد مرکب» (Composite Number) گفته می‌شود. برای مثال، 4=2*2، 6=2*3. عدد صحیح و مثبت هستند و عدد ۱ نه عدد اول است و نه مرکب است. بررسی اینکه آیا یک عدد اول است یا خیر در حالت کلی آسان است، اما انجام این کار به صورت بهینه و کارا، نیاز به تلاش بیشتری دارد.

اولین الگوریتم تشخیص عدد اول

در اینجا، از یک تابع خیلی ابتدایی برای بررسی اینکه یک عدد، برای مثال n، اول است یا نه استفاده می‌شود. در این روش، همه مقسوم‌علیه‌ها از ۲ تا n-1 مورد بررسی قرار می‌گیرد. از ۱ و خود n صرف‌نظر می‌شود. اگر n بر هر عددی بخش‌پذیر بود، تابع مقدار False را باز می‌گرداند و در غیر این صورت، مقدار True را باز می‌گرداند. در ادامه، گام‌های مورد استفاده در این روش ارائه شده‌اند.

  1. اگر عدد صحیح، کمتر یا مساوی ۱ باشد، مقدار False را بازگردان.
  2. اگر یک عدد داده شده بر هر عددی از ۲ تا n بخش‌پذیر باشد، مقدار False را بازگردان.
  3. در غیر این صورت، مقدار True را بازگردان.

برنامه تشخیص عدد اول در پایتون

خروجی:
Total prime numbers in range: 9592
Time required: 60.702312707901

در کد بالا، همه اعداد از ۱ تا ۱۰۰۰۰۰ از جهت اول بودن مورد بررسی قرار می‌گیرند. کد بالا، همانطور که در خروجی مشخص است، زمان اجرای بسیار بالایی دارد. این رویکرد ساده است اما اجرای آن زمان زیادی می‌برد. بنابراین روش مناسبی نه برای مسابقات و نه حتی شرایط دیگر است.

دومین الگوریتم تشخیص عدد اول

در این روش، از یک راهکار ساده استفاده می‌شود که اول بودن عدد با کاهش تعداد مقسوم‌علیه‌هایی که مورد بررسی قرار می‌گیرند تشخیص داده می‌شود. همانطور که از مثالی که در ادامه آمده مشهود است، خط خوبی وجود دارد که مانند آینه عمل می‌کند و همانطور که مشهود است، تقسیم‌پذیری بالای خط و پایین خط معکوس یکدیگر هستند. خطی که فاکتورها را به دو نیمه تقسیم می‌کند، خط ریشه دوم عدد است. اگر عدد یک مربع کامل باشد، می‌توان خط را یک واحد جا به جا کرد و مقدار صحیح خط جداکننده را دریافت کرد.

36=1*36 
=2*18
=3*12
=4*9
------------
=6*6
------------
=9*4
=12*3
=18*2
=36*1

در این تابع، یک عدد صحیح که max_div نامیده شده محاسبه می‌شود؛ این عدد، ریشه دوم عدد است و مقدار جز صحیح با استفاده از کتابخانه پایتون math محاسبه می‌شود. در مثال پیشین، از ۲ تا n-1 تکرار انجام می‌شد. اما در اینجا، مقسوم‌علیه‌ها به نیمی کاهش پیدا می‌کنند. نیاز به «وارد» (import) کردن ماژول math برای استفاده از توابع floor و sqrt است. گام‌های زیر، در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

  1. اگر عدد صحیح، کمتر یا مساوی با ۱ است، مقدار False را بازگردان.
  2. اکنون، تعداد ارقامی که بخش‌پذیری n بر آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد را به تعداد ریشه دوم عدد کاهش بده.
  3. اگر عدد قابل تقسیم به هر عددی از n تا ریشه دوم عدد بود، مقدار false را باز گردان.
  4. در غیر این صورت، مقدار true را بازگردان.

برنامه تشخیص عدد اول در پایتون

خروجی:
Total prime numbers in range: 9592
Time required: 0.4116342067718506

در کد بالا، تعداد اعداد از ۱ تا ۱۰۰۰۰۰ از جهت اول بودن بررسی می‌شوند. این کار، نسبت به روش قبلی، زمان نسبتا کمتری می‌برد. در این رویکرد، ترفند کوچکی زده شده، اما زمان اجرا به میزان قابل توجهی تغییر می‌کند. بنابراین، نسبت به روش قبلی، ترجیح داده می‌شود.

سومین الگوریتم تشخیص عدد اول

اکنون، کد بار دیگر بهینه می‌شود تا زمان اجرای آن باز هم کاهش پیدا کند. ممکن است این نکته توجه مخاطبان را جلب کرده باشد که در مثال پیشین، تکرار در اعداد زوج هم انجام می‌شد که اتلاف زمان بود. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که اعداد زوج به غیر از دو، نمی‌توانند اول باشند. در این روش، از همه اعداد زوج صرف‌نظر می‌شود و صرفا بخش‌پذیری اعداد فرد مورد بررسی قرار می‌گیرد. در ادامه، گام‌های استفاده شده در این روش، بیان شده‌اند.

  1. اگر عدد صحیح، کمتر یا مساوی یک بود، مقدار False را بازگردان.
  2. اگر عدد برابر با ۲ بود، مقدار True را بازگردان.
  3. اگر عدد بزرگ‌تر از ۲ و بخش‌پذیر بر ۲ بود، مقدار false را بازگردان.
  4. اکنون، همه اعداد فرد مورد بررسی قرار می‌گیرند.
  5. اگر عدد داده شده بر اعداد از ۳ تا ریشه دوم خودش بخش‌پذیر است (صرف‌نظر از مقادیر زوج)، مقدار false را باز گردان.
  6. در غیر این صورت، مقدار true را بازگردان.

برنامه تشخیص عدد اول در پایتون

خروجی:
Total prime numbers in range: 9592
Time required: 0.23305177688598633

در کد بالا، اعداد از ۱ تا ۱۰۰۰۰۰ از جهت اول بودن مورد بررسی قرار می‌گیرند. این کار در مقایسه با روش قبلی، زمان نسبتا کم‌تری می‌برد و مناسب‌تر است. این روش، کاراترین و سریع‌ترین روش برای بررسی اعداد اول است. بنابراین، به افرادی که در مسابقات برنامه‌نویسی شرکت می‌کنند، استفاده از این روش توصیه می‌شود.

روش غربال

این روش، همه اعداد اول کوچک‌تر و مساوی یک عدد داده شده n را محاسبه می‌کند. برای مثال، اگر n برابر با ۱۰ باشد، خروجی باید ۲، ۳، ۵، ۷ باشد. اگر n برابر با ۲۰ باشد، خروجی باید {19 ,17 ,13 ,11 ,7 ,5 ,3 ,2} باشد. این روش، کارآمدترین و سریع‌ترین روش برای محاسبه همه اعداد اول پیش از یک عدد داده شده است. این الگوریتم تشخیص عدد اول، برای بررسی یک عدد خاص مناسب نیست. بلکه، برای تولید لیستی از اعداد اول مناسب است.

برنامه تشخیص عدد اول در پایتون

خروجی:
Total prime numbers in range: 9592
Time required: 0.0312497615814209

توجه: زمان لازم برای اجرای این کدها در سیستم‌های گوناگون ممکن است متفاوت باشد، اما ترتیب زمان اجرای روش‌ها همواره به همین صورت خواهد بود.

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

الهام حصارکی (+)

«الهام حصارکی»، فارغ‌التحصیل مقطع کارشناسی ارشد مهندسی فناوری اطلاعات، گرایش سیستم‌های اطلاعات مدیریت است. او در زمینه هوش مصنوعی و داده‌کاوی، به ویژه تحلیل شبکه‌های اجتماعی، فعالیت می‌کند.

بر اساس رای 13 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “الگوریتم تشخیص عدد اول در پایتون — به زبان ساده

  1. سلام خانم حصارکی عزیز. خیلی عالی بود.
    موفق باشید

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *