当前位置:首页 > 文章列表 > 文章 > python教程 > Python嵌套列表素数高效查找方法

Python嵌套列表素数高效查找方法

2025-09-12 08:54:55 0浏览 收藏

学习文章要努力,但是不要急!今天的这篇文章《Python嵌套列表素数搜索优化》将会介绍到等等知识点,如果你想深入学习文章,可以关注我!我会持续更新相关文章的,希望对大家都能有所帮助!

Python嵌套列表搜索优化:寻找满足特定条件的素数组合

本文旨在提供一种优化Python代码,以解决在素数列表中搜索满足特定条件的素数组合的问题。通过使用Numba库进行即时编译,并结合并行计算,可以显著提高搜索效率。本文将详细介绍如何使用Numba优化代码,并提供完整的示例代码。

问题描述

我们需要在一个包含2到10万的素数列表中,找到满足以下条件的第一个包含5个素数的集合:

  • p1 < p2 < p3 < p4 < p5
  • 该集合中任意两个素数组合(例如,3和7 => 37和73)也必须是素数
  • sum(p1..p5) 是满足上述条件的素数和的最小值,且大于10万

原始代码在解决这个问题时速度非常慢,因此需要进行优化。

优化方案:使用Numba

Numba是一个Python的即时(JIT)编译器,它可以将Python代码转换为机器码,从而显著提高代码的执行速度。Numba尤其适用于数值计算密集型的代码,例如本例中的素数搜索。

1. 安装Numba

首先,确保已经安装了Numba。可以使用pip进行安装:

pip install numba

2. 代码优化步骤

以下是使用Numba优化代码的步骤:

a. 导入必要的库

import numpy as np
from numba import njit, prange
  • numpy 用于数组操作。
  • numba.njit 用于将Python函数编译为机器码。
  • numba.prange 用于并行循环。

b. 定义素数判断函数

@njit
def prime(a):
    if a < 2:
        return False
    for x in range(2, int(a**0.5) + 1):
        if a % x == 0:
            return False
    return True

使用@njit装饰器告诉Numba编译此函数。

c. 定义字符串转整数函数

@njit
def str_to_int(s):
    final_index, result = len(s) - 1, 0
    for i, v in enumerate(s):
        result += (ord(v) - 48) * (10 ** (final_index - i))
    return result

此函数用于将两个素数连接成一个整数,例如将3和7连接成37。

d. 生成素数列表

@njit
def generate_primes(n):
    out = []
    for i in range(3, n + 1):
        if prime(i):
            out.append(i)
    return out

生成小于n的所有素数。

e. 生成有效的素数组合

@njit(parallel=True)
def get_comb(n=100_000):
    # generate all primes < n
    primes = generate_primes(n)
    n_primes = len(primes)

    # generate all valid combinations of primes
    combs = np.zeros((n_primes, n_primes), dtype=np.uint8)

    for i in prange(n_primes):
        for j in prange(i + 1, n_primes):
            p1, p2 = primes[i], primes[j]

            c1 = str_to_int(f"{p1}{p2}")
            c2 = str_to_int(f"{p2}{p1}")

            if not prime(c1) or not prime(c2):
                continue

            combs[i, j] = 1

    all_combs = []

    for i_p1 in prange(0, n_primes):
        for i_p2 in prange(i_p1 + 1, n_primes):
            if combs[i_p1, i_p2] == 0:
                continue
            for i_p3 in prange(i_p2 + 1, n_primes):
                if combs[i_p1, i_p3] == 0:
                    continue
                if combs[i_p2, i_p3] == 0:
                    continue
                for i_p4 in prange(i_p3 + 1, n_primes):
                    if combs[i_p1, i_p4] == 0:
                        continue
                    if combs[i_p2, i_p4] == 0:
                        continue
                    if combs[i_p3, i_p4] == 0:
                        continue
                    for i_p5 in prange(i_p4 + 1, n_primes):
                        if combs[i_p1, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p2, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p3, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p4, i_p5] == 0:
                            continue

                        p1, p2, p3, p4, p5 = (
                            primes[i_p1],
                            primes[i_p2],
                            primes[i_p3],
                            primes[i_p4],
                            primes[i_p5],
                        )

                        ccomb = np.array([p1, p2, p3, p4, p5], dtype=np.int64)
                        if np.sum(ccomb) < n:
                            continue

                        all_combs.append(ccomb)
                        print(ccomb)
                        break

    return all_combs
  • @njit(parallel=True) 启用并行计算。
  • prange 用于并行循环,可以显著提高计算速度。
  • 首先,生成所有素数小于n的列表。
  • 然后,生成所有有效的素数组合,存储在combs数组中。
  • 最后,遍历所有可能的素数组合,找到满足条件的第一个组合。

f. 找到最小的素数组合

all_combs = np.array(get_comb())
print()
print("Minimal combination:")
print(all_combs[np.sum(all_combs, axis=1).argmin()])

计算所有素数组合的和,并找到最小的和对应的组合。

3. 完整代码

import numpy as np
from numba import njit, prange


@njit
def prime(a):
    if a < 2:
        return False
    for x in range(2, int(a**0.5) + 1):
        if a % x == 0:
            return False
    return True


@njit
def str_to_int(s):
    final_index, result = len(s) - 1, 0
    for i, v in enumerate(s):
        result += (ord(v) - 48) * (10 ** (final_index - i))
    return result


@njit
def generate_primes(n):
    out = []
    for i in range(3, n + 1):
        if prime(i):
            out.append(i)
    return out


@njit(parallel=True)
def get_comb(n=100_000):
    # generate all primes < n
    primes = generate_primes(n)
    n_primes = len(primes)

    # generate all valid combinations of primes
    combs = np.zeros((n_primes, n_primes), dtype=np.uint8)

    for i in prange(n_primes):
        for j in prange(i + 1, n_primes):
            p1, p2 = primes[i], primes[j]

            c1 = str_to_int(f"{p1}{p2}")
            c2 = str_to_int(f"{p2}{p1}")

            if not prime(c1) or not prime(c2):
                continue

            combs[i, j] = 1

    all_combs = []

    for i_p1 in prange(0, n_primes):
        for i_p2 in prange(i_p1 + 1, n_primes):
            if combs[i_p1, i_p2] == 0:
                continue
            for i_p3 in prange(i_p2 + 1, n_primes):
                if combs[i_p1, i_p3] == 0:
                    continue
                if combs[i_p2, i_p3] == 0:
                    continue
                for i_p4 in prange(i_p3 + 1, n_primes):
                    if combs[i_p1, i_p4] == 0:
                        continue
                    if combs[i_p2, i_p4] == 0:
                        continue
                    if combs[i_p3, i_p4] == 0:
                        continue
                    for i_p5 in prange(i_p4 + 1, n_primes):
                        if combs[i_p1, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p2, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p3, i_p5] == 0:
                            continue
                        if combs[i_p4, i_p5] == 0:
                            continue

                        p1, p2, p3, p4, p5 = (
                            primes[i_p1],
                            primes[i_p2],
                            primes[i_p3],
                            primes[i_p4],
                            primes[i_p5],
                        )

                        ccomb = np.array([p1, p2, p3, p4, p5], dtype=np.int64)
                        if np.sum(ccomb) < n:
                            continue

                        all_combs.append(ccomb)
                        print(ccomb)
                        break

    return all_combs


all_combs = np.array(get_comb())
print()
print("Minimal combination:")
print(all_combs[np.sum(all_combs, axis=1).argmin()])

4. 运行结果

在AMD 5700X CPU上,该代码可以在1分20秒内完成计算。

[    3 28277 44111 70241 78509]
[    7    61 25939 26893 63601]
[    7    61 25939 61417 63601]                     
[    7    61 25939 61471 86959]                     
[    7  2467 24847 55213 92593]                     
[    7  3361 30757 49069 57331]                

...

[ 1993 12823 35911 69691 87697]
[ 2287  4483  6793 27823 67723]
[ 3541  9187 38167 44257 65677]

Minimal combination:                                
[   13   829  9091 17929 72739]

real    1m20,599s                                   
user    0m0,011s                                    
sys     0m0,008s                                    

注意事项

  • Numba在第一次运行时需要编译代码,因此第一次运行可能会比较慢。
  • Numba对某些Python特性支持有限,需要注意代码的兼容性。
  • 并行计算可以提高计算速度,但也会增加CPU的负载。

总结

通过使用Numba进行即时编译和并行计算,可以显著提高Python代码的执行速度,特别是在数值计算密集型的任务中。本文提供了一个具体的例子,展示了如何使用Numba优化素数搜索问题,并提供了完整的示例代码。希望本文能帮助读者更好地理解和应用Numba。

终于介绍完啦!小伙伴们,这篇关于《Python嵌套列表素数高效查找方法》的介绍应该让你收获多多了吧!欢迎大家收藏或分享给更多需要学习的朋友吧~golang学习网公众号也会发布文章相关知识,快来关注吧!

支付宝账号注销步骤及永久删除条件支付宝账号注销步骤及永久删除条件
上一篇
支付宝账号注销步骤及永久删除条件
淘宝签到攻略:每日领现金红包技巧
下一篇
淘宝签到攻略:每日领现金红包技巧
查看更多
最新文章
查看更多
课程推荐
  • 前端进阶之JavaScript设计模式
    前端进阶之JavaScript设计模式
    设计模式是开发人员在软件开发过程中面临一般问题时的解决方案,代表了最佳的实践。本课程的主打内容包括JS常见设计模式以及具体应用场景,打造一站式知识长龙服务,适合有JS基础的同学学习。
    543次学习
  • GO语言核心编程课程
    GO语言核心编程课程
    本课程采用真实案例,全面具体可落地,从理论到实践,一步一步将GO核心编程技术、编程思想、底层实现融会贯通,使学习者贴近时代脉搏,做IT互联网时代的弄潮儿。
    516次学习
  • 简单聊聊mysql8与网络通信
    简单聊聊mysql8与网络通信
    如有问题加微信:Le-studyg;在课程中,我们将首先介绍MySQL8的新特性,包括性能优化、安全增强、新数据类型等,帮助学生快速熟悉MySQL8的最新功能。接着,我们将深入解析MySQL的网络通信机制,包括协议、连接管理、数据传输等,让
    500次学习
  • JavaScript正则表达式基础与实战
    JavaScript正则表达式基础与实战
    在任何一门编程语言中,正则表达式,都是一项重要的知识,它提供了高效的字符串匹配与捕获机制,可以极大的简化程序设计。
    487次学习
  • 从零制作响应式网站—Grid布局
    从零制作响应式网站—Grid布局
    本系列教程将展示从零制作一个假想的网络科技公司官网,分为导航,轮播,关于我们,成功案例,服务流程,团队介绍,数据部分,公司动态,底部信息等内容区块。网站整体采用CSSGrid布局,支持响应式,有流畅过渡和展现动画。
    485次学习
查看更多
AI推荐
  • ljg-skills -
    ljg-skills
    ljg-skills 是李继刚开源的 AI 技能与提示词集合,面向大模型使用者整理了一批可复用的 prompt、角色设定和任务技能模板,适合用于学习提示词设计、搭建个人 AI 工作流和沉淀团队常用智能体能力。
    1186次使用
  • MELO音乐 - AI 音乐生成平台,支持多模态创作能力
    MELO音乐
    MELO音乐是一站式AI视频与音乐制作助手,对标suno, udio的高品质体验。提供伴奏生成、原创写词、无损导出、哼唱识曲、混音变声等全套音频与短视频编辑工具。无论是流行Kpop、电音说唱、民谣古风、摇滚儿歌还是商用轻音乐,MELO为你免费谱曲,轻松做同款!
    1138次使用
  • UniScribe - AI 免费在线音视频转文字平台
    UniScribe
    UniScribe 是一款 AI 音视频转文字与内容整理工具,支持上传音频、视频文件或粘贴 YouTube 链接,自动生成转写文本、摘要、思维导图和关键问题,并支持多格式导出,适合会议记录、课程学习、访谈整理和内容创作复盘。
    1074次使用
  • 剧云 - 免费 AI 智能中文剧本创作平台
    剧云
    剧云是专业中文剧本创作平台,安全稳定运行十余年,集成AI编剧、剧本医生审核、人物小传、剧情关系图、大纲编写、多人协作、Word导入导出、版权管控功能,数据安全防护,轻松高效创作剧本。
    1260次使用
  • 万象有声 - AI 一站式有声内容创作平台
    万象有声
    万象有声,一个专为有声创作者打造的新一代智能有声内容创作平台。平台提供专业的智能拆章、智能画本编辑、AI配音、AI生成音效、后期制作、智能对轨、智能审听等有声创作全流程工具,可以帮助创作者高效、低成本创作出引人入胜的有声作品。立即体验,让有声书制作更简单!
    1250次使用
微信登录更方便
  • 密码登录
  • 注册账号
登录即同意 用户协议隐私政策
返回登录
  • 重置密码