真题建议 60 分钟学习等级 5/8

PYTHON LESSON 078

真题精讲:两道考级风格题讲透

吃透两道 GESP 5 级风格题:用辗转相除统计互质数个数,用“先撒小网、不够翻倍”的筛法求第 k 个质数。

00 · 学习目标

这一课要解决什么?

先想一想1 到 n 里和 n 互质的数有多少个?第 1000 个质数又是谁?
完成任务考级命题人模拟
学习顺序去掉故事外衣 → 识别模型 → 写正确基线 → 检查边界

学完后,你应该能够

  • 互质 ⇔ gcd(x, n) == 1
  • 第 k 个质数:先估上限再筛
  • 质数不够就把上限翻倍重筛

01 · 核心概念

互质计数(辗转相除应用)与第 k 个质数(筛法 + 动态扩界)

互质计数(辗转相除应用)与第 k 个质数(筛法 + 动态扩界):“1~n 中有多少个数与 n 互质”——互质的数学语言就是 gcd(x, n) == 1。题目立刻翻译成:循环 1 到 n,用辗转相除挨个判定计数。模型建好,代码水到渠成。

考级对应GESP Python 5 级 · 辗转相除法GESP Python 5 级 · 素数筛法
学习边界

复杂度隐藏常数与硬件差异,但仍是比较规模增长的核心工具。

02 · 语法与规则

先记住这 3 条,再开始写程序

01互质 ⇔ gcd(x, n) == 1

先准确读出这条写法的结构与作用。

02第 k 个质数:先估上限再筛

换一组最小数据,手工推演一次结果。

03质数不够就把上限翻倍重筛

再用边界值或反例确认它的适用条件。

03 · 完整实例

代码、运行结果和解释放在一起看

g5-exam-style-decode.pyPYTHON 3.12
# 真题精讲:两道 GESP 5 级风格题(原创类真题)

# 题一:互质伙伴统计——1~n 中有多少个数与 n 互质
def gcd(a, b):
    while b != 0:
        a, b = b, a % b
    return a

def count_coprime(n):
    cnt = 0
    for x in range(1, n + 1):
        if gcd(x, n) == 1:
            cnt = cnt + 1
    return cnt

print("1~12 中与 12 互质的有", count_coprime(12), "个")
print("1~30 中与 30 互质的有", count_coprime(30), "个")

print("——————")

# 题二:第 k 个质数——先撒小网,不够就翻倍,再筛法点名
def kth_prime(k):
    limit = 100
    while True:
        is_p = [True] * (limit + 1)
        is_p[0] = is_p[1] = False
        for i in range(2, limit + 1):
            if is_p[i]:
                for j in range(i * i, limit + 1, i):
                    is_p[j] = False
        primes = [x for x in range(2, limit + 1) if is_p[x]]
        if len(primes) >= k:
            return primes[k - 1]
        limit = limit * 2    # 网里的质数不够,就把网撒大一倍

print("第 10 个质数是", kth_prime(10))
print("第 100 个质数是", kth_prime(100))
print("第 1000 个质数是", kth_prime(1000))
运行结果OUTPUT
1~12 中与 12 互质的有 4 个
1~30 中与 30 互质的有 8 个
——————
第 10 个质数是 29
第 100 个质数是 541
第 1000 个质数是 7919

“互质数个数”就是数论里的欧拉函数 φ(n);第 1000 个质数 7919 是数论界的经典冷知识。

在新标签运行和修改这个实例已装入本课代码 · 可自定义输入 · 可提交判题

04 · 逐步理解

每一步只解决一个问题

  1. 01

    题一:读题建模

    “1~n 中有多少个数与 n 互质”——互质的数学语言就是 gcd(x, n) == 1。题目立刻翻译成:循环 1 到 n,用辗转相除挨个判定计数。模型建好,代码水到渠成。

    PYTHON
    if gcd(x, n) == 1:
        cnt = cnt + 1
  2. 02

    题一:验证与彩蛋

    1~12 里与 12 互质的是 1、5、7、11,正好 4 个,和程序对上了。这个“互质数个数”在数论里叫欧拉函数 φ(n),是考级阅读题的常客,见到这个名字别慌。

  3. 03

    题二:难在“没有上限”

    求第 k 个质数,麻烦在于事先不知道要筛到多大。精确预估上限要用高等数学,对初中生太复杂——程序员的土办法反而实用:先撒一张小网试试。

  4. 04

    题二:翻倍扩界策略

    先筛到 100,数一数网里的质数够不够 k 个;不够就把上限翻倍重新筛。质数越往后越稀疏,但反复翻倍总能兜住第 k 个。这个“不够就加码”的思路在很多题里都好使。

    PYTHON
    if len(primes) >= k:
        return primes[k - 1]
    limit = limit * 2
  5. 05

    题二:答案里的冷知识

    第 100 个质数是 541,第 1000 个是 7919。考级选择题就考过“第几个质数是谁”这类题——有筛法护体,查表题统统变成送分题。

  6. 06

    套路总结

    两道题各代表一个五级套路:数论计数题 = 把定义翻译成 gcd 或整除条件再枚举;筛法应用题 = 先定范围再点名。读懂题、翻译成已知工具,就是真题精讲的终极目标。

05 · 练习与检验

自己写出来,才算真正学会

本课实作步骤
  1. 1运行题解,看两道题的答案
  2. 2手数 1~12 里与 12 互质的数,验证程序
  3. 3解释为什么翻倍扩界总能兜住答案
  4. 4挑战:求第 100 个质数并和程序核对
打开本课编程实验室编辑、运行、测试、判题都在一个页面完成

06 · 完整知识

继续理解定义、规则和适用边界

第一次学习先完成上面的六个步骤;需要查定义、核对规则、分析误区或理解“为什么”时,再展开对应知识章。

算法方法算法、复杂度与解题验证把题意转成输入、状态、规则与输出,用正确性和复杂度共同评价解法。

正式定义

算法是解决一类问题的有限、明确步骤。正确性说明算法对所有满足前置条件的输入都得到规定结果;时间和空间复杂度描述输入规模增长时资源使用的增长量级。

必须掌握

  • 先明确输入规模 n、数据范围、目标和允许误差,再选择数据结构与算法。
  • O(1)、O(log n)、O(n)、O(n log n)、O(n²)、O(2ⁿ) 表示增长量级,不是精确运行秒数。
  • 顺序代码复杂度取较大项,嵌套循环常相乘,二分每步把范围缩小一半。
  • 正确性可用循环不变量、数学归纳、交换论证、反证或状态定义来说明。
  • 样例只验证少量输入;必须自己设计边界、极端、重复、有序/逆序和无解数据。
  • 优化前先得到正确基线并测量瓶颈,不为小数据盲目增加复杂实现。

常见误区

  • 只看样例通过就宣称正确
  • 不看数据范围使用 O(n²)
  • 二分区间开闭混用
  • 把 O(n) 当成永远比 O(log n) 慢固定倍数

适用边界

  • 复杂度隐藏常数与硬件差异,但仍是比较规模增长的核心工具。
  • 考场策略、课程完成度和算法能力是不同证据,任何单项都不能保证考级通过。
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算法方法质数、约数、最大公因数与筛法建立整数整除体系,掌握试除、欧几里得算法、唯一分解和筛法的条件与复杂度。

正式定义

若整数 a 能被非零整数 b 整除,则 b 是 a 的约数。大于 1 且只有 1 和自身两个正约数的整数是质数;每个大于 1 的整数都能唯一分解为质数幂的乘积(忽略次序)。

必须掌握

  • 0 和 1 都不是质数;判定 n 是否为质数只需试除到 floor(sqrt(n))。
  • gcd(a,b)=gcd(b,a mod b) 构成欧几里得算法;lcm(a,b)=abs(a//gcd(a,b)*b) 并要处理 0。
  • 约数成对出现,可枚举到平方根;完全平方数的平方根只计一次。
  • 埃氏筛从 p² 开始标记质数 p 的倍数,总体 O(n log log n);线性筛保证每个合数被最小质因子筛一次。
  • 分解质因数后,约数个数与约数和可以由各质因数指数公式计算。
  • 模运算支持加减乘分配;模除法不能直接用整数除法,需满足可逆条件并求逆元。

常见误区

  • 把 1 判成质数
  • 试除上界漏掉平方根
  • 完全平方数的约数重复统计
  • 取模后直接做普通除法

适用边界

  • 大整数质性测试和密码学分解需要更高级算法,不应把试除法扩展到任意规模。
  • 题目若涉及负数约数、0 的约数或模数非质数,必须先明确数学定义。
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Python 基础条件、循环与程序流程准确理解 if、for、while、range、break、continue 和循环嵌套,而不是背代码模板。

正式定义

控制流决定下一条要执行的语句。分支依据布尔条件选择路径;循环在满足规则时重复执行代码块。Python 用冒号和缩进界定代码块。

必须掌握

  • if/elif/else 从上到下判断,只执行第一个为真的分支;else 不写条件。
  • for 依次取得可迭代对象中的元素;range(start, stop, step) 包含 start、不包含 stop,step 不能为 0。
  • while 在每轮开始前检查条件;循环体必须让状态向终止条件推进。
  • break 结束最内层循环,continue 跳过本轮剩余语句,循环的 else 仅在没有被 break 终止时执行。
  • 嵌套循环的总执行次数通常需要把各层次数相乘;内层 break 不会结束外层循环。
  • 边界测试至少覆盖空范围、单个元素、第一项命中、最后一项命中和始终不命中。

常见误区

  • range 的右端点多算或少算一次
  • while 忘记更新状态造成死循环
  • 把两个互斥条件写成两个独立 if
  • 误以为 break 会跳出所有嵌套循环

适用边界

  • 流程图是算法的表示方法,不是 Python 语法。
  • 递归也能表达重复,但有调用开销和递归深度限制,不能无条件代替循环。
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Python 基础运算符、表达式与优先级完整区分算术、比较、逻辑、成员、身份和位运算,并用优先级表消除歧义。

正式定义

表达式求值得到一个值。运算符规定如何组合操作数;当一个表达式含多个运算符时,优先级和结合方向决定求值顺序,括号可以明确改变顺序。

必须掌握

  • / 总是得到浮点结果;// 是向负无穷方向取整的整除;% 与 // 满足 a == (a // b) * b + a % b。
  • 比较可以链式书写,如 0 <= x < 10;and/or 会短路并返回最后求值的操作数,不一定返回 bool。
  • == 比较值是否相等,is 比较是否为同一个对象;判断 None 应写 is None。
  • in/not in 做成员测试;对 dict 测试的是键。
  • 位运算作用于整数的二进制位;负整数按无限长二进制补码语义理解。
  • 复杂表达式即使能靠优先级正确运行,也应使用括号表达意图。

常见误区

  • 把 // 当成简单截断
  • 用 is 比较数字或字符串的值
  • 忘记 and 的优先级高于 or
  • 连续位移、比较和逻辑运算却不加括号

适用边界

  • 浮点数比较受二进制表示误差影响,需要按问题选择容差。
  • 运算符可由自定义类重载,因此相同符号对不同类型可能有不同语义。
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完成检查

确认自己会解释、会编写、会验证