麦森数

麦森数的计算与特性
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麦森数
问题描述
形如2^p-1的素数称为麦森数,这时P一定也是个素数。但反过来不一定,即如果P是
个素数。2^p-1 不一定也是素数。到1998年底,人们已找到了37个麦森数。最大的一个是
P=3021377,它有909526位。麦森数有许多重要应用,它与完全数密切相关。
你的任务:输入P (1000<P<3100000) , 计算2^p-1的位数和最后500位数字(用十进制高
精度数表示)
输入数据
只包含一个整数P(1000<P<3100000)
输出要求
第1行:十进制高精度数2
p
-1 的位数。  第2-11行:十进制高精度数2
p
-1 的最后500

位数字。(每行输出50位,共输出10行,不足500位时高位补0)

c语言实现代码如下:

#include <stdio.h>
#include <memory.h>
#define LEN 125   //每数组元素存放十进制的4位,因此数组最多只要125个元素即可。
#include <math.h>
 /* Multiply 函数功能是计算高精度乘法a * b
 结果的末500位放在a中
*/
void Multiply(int* a, int* b)
{
int i, j;
int nCarry; //存放进位
int nTmp;
int c[LEN]; //存放结果的末500位
memset(c, 0, sizeof(int) * LEN);
for (i=0;i<LEN;i++) {
nCarry=0;
for (j=0;j<LEN-i;j++) {
nTmp=c[i+j]+a[j]*b[i]+nCarry;
c[i+j]=nTmp%10000;
nCarry=nTmp/10000;
  }
      }
memcpy( a, c, LEN*sizeof(int));
}
int main()
 {
int i;
int p;
int anPow[LEN]; //存放不断增长的2的次幂
int aResult[LEN]; //存放最终结果的末500位
scanf("%d", & p);
printf("%d\n", (int)(p*log10(2))+1);
 //下面将2的次幂初始化为2^(2^0)(a^b表示a的b次方),
 // 最终结果初始化为1
 anPow[0]=2;
 aResult[0]=1;
  for (i=1;i<LEN;i++) {
 anPow[i]=0;
 aResult[i]=0;
  }
 
  //下面计算2的p次方
   while (p>0)  { // p = 0 则说明p中的有效位都用过了,不需再算下去
   if ( p & 1 ) //判断此时p中最低位是否为1
  Multiply(aResult, anPow);

  p>>=1;
  Multiply(anPow, anPow); //乘的数据也变化!
  }
 
  aResult[0]--; //2的p次方算出后减1
 
  //输出结果
   for (i=LEN-1;i>=0;i--) {
  if (i%25==12)
  printf("%02d\n%02d", aResult[i]/100,
  aResult[i]%100);
 else {
  printf("%04d", aResult[i]);
  if (i%25==0)
  printf("\n");
  }
  }
  return 0;
  }

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### 关于洛谷 P1045 麦森 的解题思路 #### 一、问题分析 该问题的核心在于处理大整运算以及高精度计算。具体来说,给定一个素 \(P\) (\(1000 < P < 3100000\)),需要完成两部分任务: 1. **计算 \(2^P - 1\) 的位** 这可以通过学公式推导得出:对于任意正整 \(n\) 和基 \(b\) (通常为10),其位可以由 \(\lfloor \log_{10}(n) \rfloor + 1\) 计算得到[^1]。 2. **求取 \(2^P - 1\) 的最后 500 位字** 此处涉及高精度乘法操作,因为直接存储如此巨大的值是不可能的。 --- #### 二、解决方法详解 ##### 1. 计算 \(2^P - 1\) 的位 利用对性质,可以直接通过如下公式快速计算出 \(2^P - 1\) 的位: \[ D = \lfloor P \cdot \log_{10}2 \rfloor + 1 \] 其中,\(\log_{10}2\) 是常量,约等于 0.30103[^2]。因此无需实际进行幂次运算即可获得结果。 ##### 2. 获取 \(2^P - 1\) 的最后 500 位字 由于 \(2^P - 1\) 极其庞大,无法直接存入标准据类型中,需采用高精度算法模拟手工乘法过程来逐步构建目标值。以下是主要步骤: - 初始化组用于保存每一位的结果; - 使用循环迭代方式不断累加中间结果; - 对最终结果减去 1 并截取出后 500 位作为输出。 下面是基于 Python 实现的一个高效版本代码示例: ```python import math def calculate_mersenne_number(p, last_digits_count=500): # Step 1: Calculate the number of digits in 2^p - 1 num_digits = int(math.floor(p * math.log10(2))) + 1 # Initialize a list to store high precision result with initial value as [1] res = [1] # Perform fast exponentiation using repeated squaring method power = p base = 2 % (10 ** last_digits_count) while power > 0: if power & 1: temp_res = [] carry = 0 for digit in res: mul = digit * base + carry temp_res.append(mul % (10 ** last_digits_count)) carry = mul // (10 ** last_digits_count) if carry > 0: temp_res.append(carry) res = temp_res[:] square_carry = 0 squared = [] for digit in res: sq = digit * digit + square_carry squared.append(sq % (10 ** last_digits_count)) square_carry = sq // (10 ** last_digits_count) if square_carry > 0: squared.append(square_carry) res = squared[:] base = (base * base) % (10 ** last_digits_count) power >>= 1 # Subtract one from the final result and adjust it accordingly. borrow = 1 for i in range(len(res)): idx = len(res) - 1 - i new_val = res[idx] - borrow if new_val >= 0: res[idx] = new_val break else: res[idx] = new_val + (10 ** last_digits_count) # Convert the result into string format by reversing each part appropriately. str_result = ''.join([f"{digit}".zfill(last_digits_count)[-last_digits_count:] for digit in reversed(res)]) return num_digits, str_result[-last_digits_count:] # Example usage if __name__ == "__main__": p_value = 3021377 # Given prime number P total_digits, last_500_digits = calculate_mersenne_number(p_value) print(f"Total Number of Digits: {total_digits}") print(f"Last 500 Digits:\n{last_500_digits}") ``` 上述程序实现了两个功能模块——分别负责计算总位和提取指定长度尾部序列[^3]。 --- #### 三、总结说明 此方案综合运用了学理论简化复杂度较高的指运算环节,并借助编程技巧完成了必要的高精度过载支持。这种方法不仅适用于本题情境下超大规模值场景下的精确表达需求,在其他类似领域同样具备广泛适用价值。
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