整数分数约简算法

2024-03-09

(这来源于最近完成的一次编程比赛)

给你两个 10^5 整数的数组,范围在 1..10^7(含)内:

int N[100000] = { ... }
int D[100000] = { ... }

想象有理数 X 是 N 的所有元素相乘并除以 D 的所有元素的结果。

修改两个数组而不更改 X 的值(并且不分配任何超出范围的元素),使得 N 的乘积和 D 的乘积没有公因数。

一个天真的解决方案(我认为)会起作用......

for (int i = 0; i < 100000; i++)
    for (int j = 0; j < 100000; j++)
    {
        int k = gcd(N[i], D[j]); // euclids algorithm

        N[i] /= k;
        D[j] /= k;
    }

……但这太慢了。

什么是需要少于 10^9 次操作的解决方案?


Factorise all numbers in the range 1 to 107. Using a modification of a Sieve of Eratosthenes, you can factorise all numbers from 1 to n in O(n*log n) time (I think it's a bit better, O(n*(log log n)²) or so) using O(n*log log n) space. Better than that is probably creating an array of just the smallest prime factors.

// Not very optimised, one could easily leave out the even numbers, or also the multiples of 3
// to reduce space usage and computation time
int *spf_sieve = malloc((limit+1)*sizeof *spf_sieve);
int root = (int)sqrt(limit);
for(i = 1; i <= limit; ++i) {
    spf_sieve[i] = i;
}
for(i = 4; i <= limit; i += 2) {
    spf_sieve[i] = 2;
}
for(i = 3; i <= root; i += 2) {
    if(spf_sieve[i] == i) {
        for(j = i*i, step = 2*i; j <= limit; j += step) {
            if (spf_sieve[j] == j) {
                spf_sieve[j] = i;
            }
        }
    }
}

对一个数进行因式分解n > 1使用该筛子查找其最小素因数p,确定其因式分解的重数n(通过递归查找,或者简单地除以直到p没有均匀地划分剩余的辅因子,这更快取决于)和辅因子。当辅因子大于 1 时,查找下一个素因子并重复。

创建从素数到整数的映射

遍历两个数组,对于其中的每个数字N,将因式分解中每个素数的指数添加到映射中的值,对于中的数字D, 减去。

Go through the map, if the exponent of the prime is positive, enter p^exponent to the array N (you may need to split that across several indices if the exponent is too large, and for small values, combine several primes into one entry - there are 664579 primes less than 107, so the 100,000 slots in the arrays may not be enough to store each appearing prime with the correct power), if the exponent is negative, do the same with the D array, if it's 0, ignore that prime.

任何未使用的插槽N or D然后设置为 1。

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