L'obiettivo è semplice: calcolare la funzione totient per il maggior numero di numeri possibile in 10 secondi e sommare i numeri.

Devi stampare il tuo risultato alla fine e devi effettivamente calcolarlo. Non è consentita alcuna funzione automatica di totient, ma lo sono le librerie bignum. Devi iniziare da 1 e contare tutti gli interi consecutivamente. Non puoi saltare i numeri.

Il tuo punteggio è quanti numeri il tuo programma può calcolare sulla tua macchina / quanti il ​​mio programma può calcolare sulla tua macchina . Il mio codice è un semplice programma in C ++ (ottimizzazioni disattivate), spero che tu possa eseguirlo.

Proprietà importanti che potresti usare!

• Se gcd(m,n) = 1, phi(mn) = phi(m) * phi(n)
• se pè primo, phi(p) = p - 1(per p < 10^20)
• se nè pari,phi(2n) = 2 phi(n)
• altri elencati nel primo link

Il mio codice

#include <iostream>
using namespace std;

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

int phi(int n)
{
    int x = 0;
    for (int i=1; i<=n; i++)
    {
        if (gcd(n, i) == 1)
            x++;
    }
    return x;
}

int main()
{
    unsigned int sum = 0;
    for (int i=1; i<19000; i++) // Change this so it runs in 10 seconds
    {
        sum += phi(i);
    }
        cout << sum << endl;
        return 0;
}

Nimrod: ~ 38.667 (580.000.000 / 15.000)

Questa risposta utilizza un approccio piuttosto semplice. Il codice impiega un semplice setaccio di numeri primi che memorizza il numero primo della più piccola potenza principale in ogni slot per numeri compositi (zero per numeri primi), quindi utilizza la programmazione dinamica per costruire la funzione di totalità nello stesso intervallo, quindi somma i risultati. Il programma impiega praticamente tutto il suo tempo a costruire il setaccio, quindi calcola la funzione totient in una frazione del tempo. Sembra che si tratti di costruire un setaccio efficiente (con la leggera svolta che uno deve anche essere in grado di estrarre un fattore primo per i numeri compositi dal risultato e deve mantenere l'utilizzo della memoria a un livello ragionevole).

Aggiornamento: prestazioni migliorate riducendo il footprint di memoria e migliorando il comportamento della cache. È possibile aumentare del 5% -10% le prestazioni in più, ma l'aumento della complessità del codice non ne vale la pena. In definitiva, questo algoritmo esercita principalmente il collo di bottiglia di von Neumann sulla CPU, e ci sono pochissime modifiche algoritmiche che possono aggirare questo.

Anche aggiornato il divisore delle prestazioni poiché il codice C ++ non doveva essere compilato con tutte le ottimizzazioni e nessun altro lo ha fatto. :)

Aggiornamento 2: operazione di setaccio ottimizzata per un migliore accesso alla memoria. Ora gestendo piccoli numeri in blocco tramite memcpy () (~ 5% speedup) e saltando multipli di 2, 3 e 5 quando setacci numeri primi più grandi (~ 10% speedup).

Codice C ++: 9,9 secondi (con g ++ 4.9)

Codice Nimrod: 9,9 secondi (con -d: release, backend gcc 4.9)

proc handleSmallPrimes(sieve: var openarray[int32], m: int) =
  # Small primes are handled as a special case through what is ideally
  # the system's highly optimized memcpy() routine.
  let k = 2*3*5*7*11*13*17
  var sp = newSeq[int32](k div 2)
  for i in [3,5,7,11,13,17]:
    for j in countup(i, k, 2*i):
      sp[j div 2] = int32(i)
  for i in countup(0, sieve.high, len(sp)):
    if i + len(sp) <= len(sieve):
      copyMem(addr(sieve[i]), addr(sp[0]), sizeof(int32)*len(sp))
    else:
      copyMem(addr(sieve[i]), addr(sp[0]), sizeof(int32)*(len(sieve)-i))
  # Fixing up the numbers for values that are actually prime.
  for i in [3,5,7,11,13,17]:
    sieve[i div 2] = 0

proc constructSieve(m: int): seq[int32] =
  result = newSeq[int32](m div 2 + 1)
  handleSmallPrimes(result, m)
  var i = 19
  # Having handled small primes, we only consider candidates for
  # composite numbers that are relatively prime with 31. This cuts
  # their number almost in half.
  let steps = [ 1, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31 ]
  var isteps: array[8, int]
  while i * i <= m:
    if result[i div 2] == 0:
      for j in 0..7: isteps[j] = i*(steps[j+1]-steps[j])
      var k = 1 # second entry in "steps mod 30" list.
      var j = 7*i
      while j <= m:
        result[j div 2] = int32(i)
        j += isteps[k]
        k = (k + 1) and 7 # "mod 30" list has eight elements.
    i += 2

proc calculateAndSumTotients(sieve: var openarray[int32], n: int): int =
  result = 1
  for i in 2'i32..int32(n):
    var tot: int32
    if (i and 1) == 0:
      var m = i div 2
      var pp: int32 = 2
      while (m and 1) == 0:
        pp *= 2
        m = m div 2
      if m == 1:
        tot = pp div 2
      else:
        tot = (pp div 2) * sieve[m div 2]
    elif sieve[i div 2] == 0: # prime?
      tot = i - 1
      sieve[i div 2] = tot
    else:
      # find and extract the first prime power pp.
      # It's relatively prime with i/pp.
      var p = sieve[i div 2]
      var m = i div p
      var pp = p
      while m mod p == 0 and m != p:
        pp *= p
        m = m div p
      if m == p: # is i a prime power?
        tot = pp*(p-1)
      else:
        tot = sieve[pp div 2] * sieve[m div 2]
      sieve[i div 2] = tot
    result += tot

proc main(n: int) =
  var sieve = constructSieve(n)
  let totSum = calculateAndSumTotients(sieve, n)
  echo totSum

main(580_000_000)

Java, punteggio ~ 24.000 (360.000.000 / 15.000)

Il codice java di seguito fa il calcolo della funzione totient e del setaccio primo insieme. Nota che, a seconda della tua macchina, devi aumentare la dimensione iniziale / massima dell'heap (sul mio laptop piuttosto lento ho dovuto salire a -Xmx3g -Xms3g).

public class Totient {

    final static int size = 360000000;
    final static int[] phi = new int[size];

    public static void main(String[] args) {
        long time = System.currentTimeMillis();
        long sum = 0;

        phi[1] = 1;
        for (int i = 2; i < size; i++) {
            if (phi[i] == 0) {
                phi[i] = i - 1;
                for (int j = 2; i * j < size; j++) {
                    if (phi[j] == 0)
                        continue;

                    int q = j;
                    int f = i - 1;
                    while (q % i == 0) {
                        f *= i;
                        q /= i;
                    }
                    phi[i * j] = f * phi[q];
                }
            }
            sum += phi[i];
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - time);
        System.out.println(sum);
    }
}

Nimrod: ~ 2.333.333 (42.000.000.000 / 18.000)

Questo utilizza un approccio completamente diverso dalla mia risposta precedente. Vedi i commenti per i dettagli. Il longintmodulo può essere trovato qui .

import longint

const max = 500_000_000

var ts_mem: array[1..max, int]

# ts(n, d) is defined as the number of pairs (a,b)
# such that 1 <= a <= b <= n and gcd(a,b) = d.
#
# The following equations hold:
#
# ts(n, d) = ts(n div d, 1)
# sum for i in 1..n of ts(n, i) = n*(n+1)/2
#
# This leads to the recurrence:
# ts(n, 1) = n*(n+1)/2 - sum for i in 2..n of ts(n, i)
#
# or, where ts(n) = ts(n, 1):
# ts(n) = n*(n+1)/2 - sum for i in 2..n of ts(n div i)
#
# Note that the large numbers that we deal with can
# overflow 64-bit integers.

proc ts(n, gcd: int): int =
  if n == 0:
    result = 0
  elif n == 1 and gcd == 1:
    result = 1
  elif gcd == 1:
    result = n*(n+1) div 2
    for i in 2..n:
      result -= ts(n, i)
  else:
    result = ts(n div gcd, 1)

# Below is the optimized version of the same algorithm.

proc ts(n: int): int =
  if n == 0:
    result = 0
  elif n == 1:
    result = 1
  else:
    if n <= max and ts_mem[n] > 0:
      return ts_mem[n]
    result = n*(n+1) div 2
    var p = n
    var k = 2
    while k < n div k:
      let pold = p
      p = n div k
      k += 1
      let t = ts(n div pold)
      result -= t * (pold-p)
    while p >= 2:
      result -= ts(n div p)
      p -= 1
    if n <= max:
      ts_mem[n] = result

proc ts(n: int128): int128 =
  if n <= 2_000_000_000:
    result = ts(n.toInt)
  else:
    result = n*(n+1) div 2
    var p = n
    var k = 2
    while k < n div k:
      let pold = p
      p = n div k
      k += 1
      let t = ts(n div pold)
      result = result - t * (pold-p)
    while p >= 2:
      result = result - ts(n div p)
      p = p - 1

echo ts(42_000_000_000.toInt128)

C #: 49.000 (980.000.000 / 20.000)

/codegolf//a/26800 "Codice di Howard".
Ma i valori phi modificati vengono calcolati per numeri interi dispari.

using System;
using sw = System.Diagnostics.Stopwatch;
class Program
{
    static void Main()
    {
        sw sw = sw.StartNew();
        Console.Write(sumPhi(980000000) + " " + sw.Elapsed);
        sw.Stop(); Console.Read();
    }

    static long sumPhi(int n)  // sum phi[i] , 1 <= i <= n
    {
        long s = 0; int[] phi;
        if (n < 1) return 0; phi = buildPhi(n + 1);
        for (int i = 1; i <= n; i++) s += getPhi(i, phi);
        return s;
    }

    static int getPhi(int i, int[] phi)
    {
        if ((i & 1) > 0) return phi[i >> 1];
        if ((i & 3) > 0) return phi[i >> 2];
        int z = ntz(i); return phi[i >> z >> 1] << z - 1;
    }

    static int[] buildPhi(int n)  // phi[i >> 1] , i odd , i < n
    {
        int i, j, y, x, q, r, f; int[] phi;
        if (n < 2) return new int[] { 0 };
        phi = new int[n / 2]; phi[0] = 1;
        for (j = 2, i = 3; i < n; i *= 3, j *= 3) phi[i >> 1] = j;
        for (x = 4, i = 5; i <= n >> 1; i += x ^= 6)
        {
            if (phi[i >> 1] > 0) continue; phi[i >> 1] = i ^ 1;
            for (j = 3, y = 3 * i; y < n; y += i << 1, j += 2)
            {
                if (phi[j >> 1] == 0) continue; q = j; f = i ^ 1;
                while ((r = q) == i * (q /= i)) f *= i;
                phi[y >> 1] = f * phi[r >> 1];
            }
        }
        for (; i < n; i += x ^= 6)  // primes > n / 2 
            if (phi[i >> 1] == 0)
                phi[i >> 1] = i ^ 1;
        return phi;
    }

    static int ntz(int i)  // number of trailing zeros
    {
        int z = 1;
        if ((i & 0xffff) == 0) { z += 16; i >>= 16; }
        if ((i & 0x00ff) == 0) { z += 08; i >>= 08; }
        if ((i & 0x000f) == 0) { z += 04; i >>= 04; }
        if ((i & 0x0003) == 0) { z += 02; i >>= 02; }
        return z - (i & 1);
    }
}

Nuovo punteggio: 61.000 (1.220.000.000 / 20.000)
In "App.config" ho dovuto aggiungere "gcAllowVeryLargeObjects enabled = true".

    static long sumPhi(int n)
    {
        int i1, i2, i3, i4, z; long s1, s2, s3, s4; int[] phi;
        if (n < 1) return 0; phi = buildPhi(n + 1); n -= 4; z = 2;
        i1 = 1; i2 = 2; i3 = 3; i4 = 4; s1 = s2 = s3 = s4 = 0;
        if (n > 0)
            for (; ; )
            {
                s1 += phi[i1 >> 1];
                s2 += phi[i2 >> 2];
                s3 += phi[i3 >> 1];
                s4 += phi[i4 >> z >> 1] << z - 1;
                i1 += 4; i2 += 4; i3 += 4; i4 += 4;
                n -= 4; if (n < 0) break;
                if (z == 2)
                {
                    z = 3; i4 >>= 3;
                    while ((i4 & 3) == 0) { i4 >>= 2; z += 2; }
                    z += i4 & 1 ^ 1;
                    i4 = i3 + 1;
                }
                else z = 2;
            }
        if (n > -4) s1 += phi[i1 >> 1];
        if (n > -3) s2 += phi[i2 >> 2];
        if (n > -2) s3 += phi[i3 >> 1];
        if (n > -1) s4 += phi[i4 >> z >> 1] << z - 1;
        return s1 + s2 + s3 + s4;
    }

    static int[] buildPhi(int n)
    {
        int i, j, y, x, q0, q1, f; int[] phi;
        if (n < 2) return new int[] { 0 };
        phi = new int[n / 2]; phi[0] = 1;
        for (uint u = 2, v = 3; v < n; v *= 3, u *= 3) phi[v >> 1] = (int)u;
        for (x = 4, i = 5; i <= n >> 1; i += x ^= 6)
        {
            if (phi[i >> 1] > 0) continue; phi[i >> 1] = i ^ 1;
            for (j = 3, y = 3 * i; y < n; y += i << 1, j += 2)
            {
                if (phi[j >> 1] == 0) continue; q0 = j; f = i ^ 1;
                while ((q1 = q0) == i * (q0 /= i)) f *= i;
                phi[y >> 1] = f * phi[q1 >> 1];
            }
        }
        for (; i < n; i += x ^= 6)
            if (phi[i >> 1] == 0)
                phi[i >> 1] = i ^ 1;
        return phi;
    }

Python 3: ~ 24000 (335.000.000 / 14.000)

La mia versione è una porta Python dell'algoritmo di Howard . La mia funzione originale era una modifica di un algoritmo introdotto in questo post sul blog .

Sto usando i moduli Numpy e Numba per accelerare i tempi di esecuzione. Si noti che normalmente non è necessario dichiarare i tipi di variabili locali (quando si utilizza Numba), ma in questo caso volevo ridurre il tempo di esecuzione il più possibile.

Modifica: combina le funzioni constructieve e summarum in un'unica funzione.

C ++: 9.99s (n = 14.000); Python 3: 9.94s (n = 335.000.000)

import numba as nb
import numpy as np
import time

n = 335000000

@nb.njit("i8(i4[:])", locals=dict(
    n=nb.int32, s=nb.int64, i=nb.int32,
    j=nb.int32, q=nb.int32, f=nb.int32))

def summarum(phi):
    s = 0

    phi[1] = 1

    i = 2
    while i < n:
        if phi[i] == 0:
            phi[i] = i - 1

            j = 2

            while j * i < n:
                if phi[j] != 0:
                    q = j
                    f = i - 1

                    while q % i == 0:
                        f *= i
                        q //= i

                    phi[i * j] = f * phi[q]
                j += 1
        s += phi[i]
        i += 1
    return s

if __name__ == "__main__":
    s1 = time.time()
    a = summarum(np.zeros(n, np.int32))
    s2 = time.time()

    print(a)
    print("{}s".format(s2 - s1))

Ecco la mia implementazione di Python che sembra essere in grado di estrarre ~ 60000 numeri in 10 secondi. Sto fattorizzando numeri usando l'algoritmo pollard rho e usando il test di primalità di Rabin Miller.

from Queue import Queue
import random

def gcd ( a , b ):
    while b != 0: a, b = b, a % b
    return a

def rabin_miller(p):
    if(p<2): return False
    if(p!=2 and p%2==0): return False
    s=p-1
    while(s%2==0): s>>=1
    for _ in xrange(10):
        a=random.randrange(p-1)+1
        temp=s
        mod=pow(a,temp,p)
        while(temp!=p-1 and mod!=1 and mod!=p-1):
            mod=(mod*mod)%p
            temp=temp*2
        if(mod!=p-1 and temp%2==0): return False
    return True

def pollard_rho(n):
    if(n%2==0): return 2;
    x=random.randrange(2,1000000)
    c=random.randrange(2,1000000)
    y=x
    d=1
    while(d==1):
        x=(x*x+c)%n
        y=(y*y+c)%n
        y=(y*y+c)%n
        d=gcd(x-y,n)
        if(d==n): break;
    return d;

def primeFactorization(n):
    if n <= 0: raise ValueError("Fucked up input, n <= 0")
    elif n == 1: return []
    queue = Queue()
    factors=[]
    queue.put(n)
    while(not queue.empty()):
        l=queue.get()
        if(rabin_miller(l)):
            factors.append(l)
            continue
        d=pollard_rho(l)
        if(d==l):queue.put(l)
        else:
            queue.put(d)
            queue.put(l/d)
    return factors

def phi(n):

    if rabin_miller(n): return n-1
    phi = n
    for p in set(primeFactorization(n)):
        phi -= (phi/p)
    return phi

if __name__ == '__main__':

  n = 1
  s = 0

  while n < 60000:
    n += 1
    s += phi(n)
  print(s)

φ (2 ⁿ ) = 2 ^{n - 1}
Σ φ (2 ⁱ ) = 2 ⁱ - 1 per i da 1 a n

Innanzitutto, qualcosa da trovare volte:

import os
from time import perf_counter

SEARCH_LOWER = -1
SEARCH_HIGHER = 1

def integer_binary_search(start, lower=None, upper=None, big_jump=1):
    if lower is not None and lower == upper:
        raise StopIteration # ?

    result = yield start

    if result == SEARCH_LOWER:
        if lower is None:
            yield from integer_binary_search(
                start=start - big_jump,
                lower=None,
                upper=start - 1,
                big_jump=big_jump * 2)
        else:
            yield from integer_binary_search(
                start=(lower + start) // 2,
                lower=lower,
                upper=start - 1)
    elif result == SEARCH_HIGHER:
        if upper is None:
            yield from integer_binary_search(
                start=start + big_jump,
                lower=start + 1,
                upper=None,
                big_jump=big_jump * 2)
        else:
            yield from integer_binary_search(
                start=(start + upper) // 2,
                lower=start + 1,
                upper=upper)
    else:
        raise ValueError('Expected SEARCH_LOWER or SEARCH_HIGHER.')

search = integer_binary_search(start=1000, lower=1, upper=None, big_jump=2500)
n = search.send(None)

while True:
    print('Trying with %d iterations.' % (n,))

    os.spawnlp(
        os.P_WAIT,
        'g++', 'g++', '-Wall', '-Wextra', '-pedantic', '-O0', '-o', 'reference',
        '-DITERATIONS=%d' % (n,),
        'reference.cpp')

    start = perf_counter()
    os.spawnl(os.P_WAIT, './reference', './reference')
    end = perf_counter()
    t = end - start

    if t >= 10.1:
        n = search.send(SEARCH_LOWER)
    elif t <= 9.9:
        n = search.send(SEARCH_HIGHER)
    else:
        print('%d iterations in %f seconds!' % (n, t))
        break

Per il codice di riferimento, per me, questo è:

...
Provando con 14593 iterazioni.
64724364
14593 iterazioni in 9,987747 secondi!

Ora, Haskell:

import System.Environment (getArgs)

phiSum :: Integer -> Integer
phiSum n = 2 ^ n - 1

main :: IO ()
main = getArgs >>= print . phiSum . (2^) . read . head

Produce qualcosa con 2525224 cifre in 0,718 secondi. E ora sto solo notando il commento di @ Howard.

Matlab: 1464 = 26355867/18000

Non riesco a testare il tuo codice, quindi ho diviso per 18000 in quanto rappresenta il computer più veloce di coloro che hanno testato. Sono arrivato al punteggio usando questa proprietà:

• se p è primo, phi (p) = p - 1 (per p <10 ^ 20)

Mi piace soprattutto che si tratti di una fodera:

sum(primes(500000000)-1)

Python 2.7: 10.999 (165975/15090)

Pypy 2.3.1: 28.496 (430000/15090)

Alcuni metodi interessanti che uso:

Rabin-Miller Strong Pseudoprime Test - Un test di primalità che fornisce un algoritmo probabilistico efficiente per determinare se un determinato numero è primo

Formula del prodotto di Eulero - Il prodotto supera i numeri primi distinti che dividono n

Codice:

import math
import random

#perform a Modular exponentiation
def modular_pow(base, exponent, modulus):
    result=1
    while exponent>0:
        if exponent%2==1:
           result=(result * base)%modulus
        exponent=exponent>>1
        base=(base * base)%modulus
    return result

#Miller-Rabin primality test
def checkMillerRabin(n,k):
    if n==2: return True
    if n==1 or n%2==0: return False

    #find s and d, with d odd
    s=0
    d=n-1
    while(d%2==0):
        d/=2
        s+=1
    assert (2**s*d==n-1)

    #witness loop
    composite=1
    for i in xrange(k):
        a=random.randint(2,n-1)
        x=modular_pow(a,d,n)
        if x==1 or x==n-1: continue
        for j in xrange(s-1):
            composite=1
            x=modular_pow(x,2,n)
            if x==1: return False #is composite
            if x==n-1: 
                composite=0
                break
        if composite==1:
            return False        #is composite
    return True                 #is probably prime

def findPrimes(n):              #generate a list of primes, using the sieve of eratosthenes

    primes=(n+2)*[True]

    for i in range(2,int(math.sqrt(n))+1):
        if primes[i]==True:
            for j in range(i**2,n+1,i):
                primes[j]=False

    primes=[i for i in range(2,len(primes)-1) if primes[i]==True]
    return primes

def primeFactorization(n,primes):   #find the factors of a number

    factors=[]

    i=0
    while(n!=1):
        if(n%primes[i]==0):
            factors.append(primes[i])
            n/=primes[i]
        else:
            i+=1

    return factors

def phi(n,primes):
    #some useful properties
    if (checkMillerRabin(n,10)==True):      #fast prime check
        return n-1

    factors=primeFactorization(n,primes)    #prime factors
    distinctive_prime_factors=set(factors)  

    totient=n
    for f in distinctive_prime_factors:     #phi = n * sum (1 - 1/p), p is a distinctive prime factor
        totient*=(1-1.0/f);

    return totient

if __name__ == '__main__':


    s=0
    N=165975
    # N=430000
    primes=findPrimes(N)    #upper bound for the number of primes
    for i in xrange(1,N):
        s+=phi(i,primes)

    print "Sum =",s