小学数学题，你会吗？
一日，某小学生问作业：“将16分解为若干素数的和，求这些素数积的最大值”。不禁被吓了一跳。怎么小学生的数学题变得这么难了？
细细询问，小学生没学不等式，没学数学归纳法……。那么只能用最笨的办法——穷举，一个个地试的办法来解决。
穷举之道，在于一一举来，不多不少；而不多不少，则在于有条有理，从容不乱。
小于16的素数依次为：2，3，5，7，11，13。显然，最大积是16和{2，3，5，7，11，13}的函数，将这个最大积记为
F(16,{2，3，5，7，11，13})
该最大积中可能有素因子2也可能没有，因此
F(16,{2，3，5，7，11，13}) =
MAX (
2 * F(14 ,{2，3，5，7，11，13}) ，
F(16 ,{3，5，7，11，13} ) ，
)
同理，
F(14,{2，3，5，7，11，13}) =
MAX (
2 * F(12 ,{2，3，5，7，11，13}) ，
F(14 ,{3，5，7，11，13} ) ，
)
F(16,{3，5，7，11，13}) =
MAX (
3 * F(3 ,{2，3，5，7，11，13}) ，
F(16 ,{5，7，11，13} ) ，
)
……
由此不难看出这构成了一个递归过程，终止的条件为F(n,{})中的素数集合为空或n<=0。
下面用C语言描述这个过程。
用程序解决问题显然不应该只解决分解16这样单独的问题，而应该至少能解决一类问题。为此将问题描述为:
将正整数n分解为若干素数的和，求这些素数积的最大值。
#include <stdio.h> void input( unsigned * ); unsigned maxmul( unsigned , 素数集合类型 ); unsigned maxmul_( unsigned , 素数集合类型 ); unsigned max( unsigned , unsigned ); int main( void ) { unsigned n ; 素数集合类型 素数集合; //这里需要一个素数集合; input( &n ); //输入n printf("%u\n", maxmul( n , 素数集合 ) ); //输出最大积 return 0; } unsigned max( unsigned u1 , unsigned u2 ) { return u1 > u2 ? u1 : u2 ; } unsigned maxmul_( unsigned n , 素数集合类型 素数集合 ) { if ( 素数集合为空 || n < 素数集合中的最小元素 ) { return 0; } if ( n == 素数集合中的某个元素 ) { return n; } return max ( 素数集合中的某元素 * maxmul_( n - 素数集合中的某元素 , 素数集合 ) , maxmul_( n , 素数集合删掉一个元素 ) ); } unsigned maxmul( unsigned n , 素数集合类型 素数集合 ) { if ( n < 4u ) // 小于4的情况无解 return 0; return maxmul_( n , 素数集合 ); } void input( unsigned * p ) { puts( "输入n：" ); scanf( "%u" , p ); }
至此，还需要给出不大于n的素数集合。由于不清楚不大于n有多少素数，所以用数组表示这个集合显然不现实，即使用C99的VLA也不够好。
那么只好用链表。问题就成了给出不大于正整数n的素数链表。链表用下面的数据结构描述：
typedef struct prime_list { unsigned prime; struct prime_list * next; } * P_LIST;
在main()中定义这个链表：
P_LIST pr_list = NULL ;
根据n求得这个链表
pr_list = build( n );
令我没想到的是这个函数不那么容易写，稍不留神就错。你们体会下！
typedef struct prime_list { unsigned prime; struct prime_list * next; } * P_LIST; typedef enum { NO , YES, } YESNO ; P_LIST build( unsigned ); void build_( P_LIST * , P_LIST * , unsigned , unsigned ); YESNO be_prime( unsigned , P_LIST ); void add ( P_LIST * * , unsigned ) ; void my_malloc( P_LIST * ); void my_malloc( P_LIST * pp ) { if ( ( * pp = malloc( sizeof (* * pp) )) == NULL ) exit(1); } void add ( P_LIST * * ppp_e, unsigned const num ) { my_malloc( * ppp_e ); ( * * ppp_e ) -> prime = num ; ( * * ppp_e ) -> next = NULL; * ppp_e = & ( * * ppp_e ) -> next ; } YESNO be_prime( unsigned n , P_LIST p ) { if ( n == 2u || p == NULL ) { return YES ; } if ( n % p -> prime == 0u ) { return NO ; } return be_prime( n , p -> next ); } void build_( P_LIST * pp_b , P_LIST * pp_e , unsigned num , unsigned n ) { if( num > n ) { return ; } if ( be_prime( num , *pp_b ) == YES ) { add ( &pp_e , num ) ; //将num加入链表 } build_( pp_b , pp_e , num + 1u , n ) ; } P_LIST build( unsigned n )//建立不大于n的有序素数链表 { P_LIST head = NULL ; build_( &head , &head , 2u , n ); //从2开始 return head; }
最后是完整的代码。
#include <stdio.h>
typedef
struct prime_list
{
unsigned prime;
struct prime_list * next;
}
* P_LIST;
typedef
enum
{
NO ,
YES,
}
YESNO ;
void input( unsigned * );
P_LIST build( unsigned );
void build_( P_LIST * , P_LIST * , unsigned , unsigned );
YESNO be_prime( unsigned , P_LIST );
void add ( P_LIST * * , unsigned ) ;
void my_malloc( P_LIST * );
unsigned maxmul( unsigned , P_LIST );
unsigned maxmul_( unsigned , P_LIST );
unsigned max( unsigned , unsigned );
void my_free( P_LIST );
int main( void )
{
unsigned n ;
P_LIST pr_list = NULL ;
input( &n ); //输入n
pr_list = build( n ); //准备素数表
printf("%u\n", maxmul( n , pr_list ) ); //输出
my_free( pr_list );
return 0;
}
void my_free( P_LIST p )
{
if ( p != NULL )
{
free( p -> next );
free( p );
}
}
unsigned max( unsigned u1 , unsigned u2 )
{
return u1 > u2 ? u1 : u2 ;
}
unsigned maxmul_( unsigned n , P_LIST p )
{
if ( p == NULL || n < p->prime )
{
return 0;
}
if ( n == p->prime )
{
return n;
}
return max (
p -> prime * maxmul_( n - p->prime , p ) ,
maxmul_( n , p -> next )
);
}
unsigned maxmul( unsigned n , P_LIST p )
{
if ( n < 4u )
return 0;
return maxmul_( n , p );
}
void my_malloc( P_LIST * pp )
{
if ( ( * pp = malloc( sizeof (* * pp) )) == NULL )
exit(1);
}
void add ( P_LIST * * ppp_e, unsigned const num )
{
my_malloc( * ppp_e );
( * * ppp_e ) -> prime = num ;
( * * ppp_e ) -> next = NULL;
* ppp_e = & ( * * ppp_e ) -> next ;
}
YESNO be_prime( unsigned n , P_LIST p )
{
if ( n == 2u || p == NULL )
{
return YES ;
}
if ( n % p -> prime == 0u )
{
return NO ;
}
return be_prime( n , p -> next );
}
void build_( P_LIST * pp_b , P_LIST * pp_e ,
unsigned num , unsigned n )
{
if( num > n )
{
return ;
}
if ( be_prime( num , *pp_b ) == YES )
{
add ( &pp_e , num ) ; //将num加入链表
}
build_( pp_b , pp_e , num + 1u , n ) ;
}
P_LIST build( unsigned n )//建立不大于n的有序素数链表
{
P_LIST head = NULL ;
build_( &head , &head , 2u , n ); //从2开始
return head;
}
void input( unsigned * p )
{
puts( "输入n：" );
scanf( "%u" , p );
}
运行结果：
输入n：
16
324
题外话：
从数学的角度看，这个题目并不难。只要运用初中数学知识，就不难分析出，对于大于3的正整数n的最大素数积，当n为
6k型正整数时，分为2k个3积最大；
6k+1型正整数时，分为2k-1个3、2个2积最大；
6k+2型正整数时，分为2k个3、1个2积最大；
6k+3型正整数时，分为2k+1个3积最大；
6k+4型正整数时，分为2k个3、2个2积最大；
6k+5型正整数时，分为2k+1个3、1个2积最大。
结论用数学归纳法很容易证明。参见http://bbs.chinaunix.net/thread-4088334-2-1.html
【补记】
建立素数链表部分写得很复杂。今天突然想到原因之一是建立的是有序表，但“有序”在这里其实是不必要的。如果建立的是一个逆序链表，代码要简单很多。
2013，7，23
//【题目：将16分解为若干素数的和，求这些素数积的最大值】 //用逆序素数表 #include <stdio.h> typedef struct prime_list { int prime; struct prime_list * next; } * P_LIST; typedef enum { NO , YES, } YESNO ; void input( int * ); void build( P_LIST * , int ); YESNO be_prime( int , P_LIST ); void add( P_LIST * , int ); void my_malloc( P_LIST * ); void my_free( P_LIST ); int maxmul( int , P_LIST ); int maxmul_( int , P_LIST ); int max( int , int ); #if 0 //测试 void out( P_LIST ); void out( P_LIST p ) { while ( p != NULL ) { printf("%d ",p->prime); p = p -> next ; } putchar('\n'); } #endif int main( void ) { int n ; P_LIST pr_list = NULL ; input( &n ); //输入n build( & pr_list , n ); //建立不大于n的素数表 //out( pr_list ); //测试 printf("%d\n", maxmul( n , pr_list ) ); //输出 my_free( pr_list ); return 0; } int max( int n1 , int n2 ) { return n1 > n2 ? n1 : n2 ; } int maxmul( int n , P_LIST p ) { if ( n < 4 ) return 0; return maxmul_( n , p ) ; } int maxmul_( int n , P_LIST p ) { if ( n < 0 ) return 0; if ( n == 0 ) return 1; if ( p == NULL ) return 0; if ( n < p->prime ) return maxmul_( n , p->next ) ; return max( p->prime * maxmul_( n - p->prime , p ), maxmul_( n , p->next ) ); } void my_free( P_LIST p ) { P_LIST tmp ; while ( ( tmp = p ) != NULL ) { p = p->next; free( tmp ); } } void my_malloc( P_LIST * p_p ) { if ( ( * p_p = malloc( sizeof (* * p_p) )) == NULL ) exit(1); } void add( P_LIST * p_p , int n ) { P_LIST tmp ; my_malloc( &tmp ); tmp->prime= n ; tmp->next = * p_p ; * p_p = tmp ; } YESNO be_prime( int n , P_LIST p) { while ( p != NULL ) { if ( n % p->prime == 0 ) { return NO; } p = p->next ; } return YES; } void build( P_LIST * p_p , int n ) { int i ; for ( i = 2 ; i <= n ; i++ ) { if ( be_prime( i , *p_p ) == YES ) //如果i是素数 { add( p_p , i ); //将i加入链表 } } } void input( int * p ) { puts( "输入n：" ); scanf( "%d" , p ); }
