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기타 알고리즘
소수 (Prime Number)
- 소수란 1보다 큰 자연수 중에서 1과 자기 자신을 제외한 자연수로는 나누어떨어지지 않는 자연수이다
- 6은 1, 2, 3, 6으로 나누어떨어지므로 소수가 아니다
- 7은 1과 7을 제외하고는 나누어떨어지지 않으므로 소수이다
- 코딩 테스트에서는 어떠한 자연수가 소수인지 아닌지 판별해야 하는 문제가 자주 출제된다
소수의 판별: 기본적인 알고리즘 (Python)
# 소수 판별 함수(2이상의 자연수에 대하여)
def is_prime_number(x):
# 2부터 (x - 1)까지의 모든 수를 확인하며
for i in range(2, x):
# x가 해당 수로 나누어떨어진다면
if x % i == 0:
return False # 소수가 아님
return True # 소수임
print(is_prime_number(4)) # 4는 소수가 아님
print(is_prime_number(7)) # 7은 소수임
실행 결과
False
True
소수의 판별: 기본적인 알고리즘 (Java)
import java.util.*;
class Main {
// 소수 판별 함수(2이상의 자연수에 대하여)
public static boolean isPrimeNumber(int x) {
// 2부터 (x - 1)까지의 모든 수를 확인하며
for (int i = 2; i < x; i++) {
// x가 해당 수로 나누어떨어진다면
if (x % i == 0) {
return false; // 소수가 아님
}
}
return true; // 소수임
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(isPrimeNumber(4));
System.out.println(isPrimeNumber(7));
}
}
실행 결과
False
True
소수의 판별: 기본적인 알고리즘 성능 분석
- 2부터 𝑋-1까지의 모든 자연수에 대하여 연산을 수행해야 한다
- 모든 수를 하나씩 확인한다는 점에서 시간 복잡도는 O(X) 이다
약수의 성질
- 모든 약수가 가운데 약수를 기준으로 곱셈 연산에 대해 대칭을 이루는 것을 알 수 있다
- 예를 들어 16의 약수는 1, 2, 4, 8, 16이다
- 이때 2 X 8 = 16은 8 X 2 = 16과 대칭이다
- 따라서 우리는 특정한 자연수의 모든 약수를 찾을 때 가운데 약수(제곱근)까지만 확인하면 된다
- 예를 들어 16이 2로 나누어떨어진다는 것은 8로도 나누어떨어진다는 것을 의미한다
소수의 판별: 개선된 알고리즘 (Python)
import math
# 소수 판별 함수
def is_prime_number(x):
# 2부터 x의 제곱근까지의 모든 수를 확인하며
for i in range(2, int(math.sqrt(x)) + 1):
# x가 해당 수로 나누어떨어진다면
if x % i == 0:
return False # 소수가 아님
return True # 소수임
print(is_prime_number(4)) # 4는 소수가 아님
print(is_prime_number(7)) # 7은 소수임
실행 결과
False
True
소수의 판별: 개선된 알고리즘 (Java)
import java.util.*;
class Main {
// 소수 판별 함수(2이상의 자연수에 대하여)
public static boolean isPrimeNumber(int x) {
// 2부터 x의 제곱근까지의 모든 수를 확인하며
for (int i = 2; i <= Math.sqrt(x); i++) {
// x가 해당 수로 나누어떨어진다면
if (x % i == 0) {
return false; // 소수가 아님
}
}
return true; // 소수임
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(isPrimeNumber(4));
System.out.println(isPrimeNumber(7));
}
}
실행 결과
False
True
소수의 판별: 개선된 알고리즘 성능 분석
- 2부터 𝑋의 제곱근(소수점 이하 무시)까지의 모든 자연수에 대하여 연산을 수행해야 한다
- 시간 복잡도는 이다
다수의 소수 판별
- 하나의 수에 대해서 소수인지 아닌지 판별하는 방법을 알아보았다
- 하지만 특정한 수의 범위 안에 존재하는 모든 소수를 찾아야 할 때는 어떻게 할까?
- 에라토스테네스의 체 알고리즘을 사용할 수 있다
에라토스테네스의 체 알고리즘
- 다수의 자연수에 대하여 소수 여부를 판별할 때 사용하는 대표적인 알고리즘이다
- 에라토스테네스의 체는 N보다 작거나 같은 모든 소수를 찾을 때 사용할 수 있다
- 에라토스테네스의 체 알고리즘의 구체적인 동작 과정은 다음과 같다
- 2부터 𝑁까지의 모든 자연수를 나열한다
- 남은 수 중에서 아직 처리하지 않은 가장 작은 수 𝑖를 찾는다
- 남은 수 중에서 i의 배수를 모두 제거한다(𝑖는 제거하지 않는다)
- 더 이상 반복할 수 없을 때까지 2번과 3번의 과정을 반복한다
에라토스테네스의 체 알고리즘 동작 예시
- [초기 단계] 2부터 26까지의 모든 자연수를 나열한다 (𝑁 = 26)
- [Step 1] 아직 처리하지 않은 가장 작은 수 2를 제외한 2의 배수는 모두 제거한다
- [Step 2] 아직 처리하지 않은 가장 작은 수 3을 제외한 3의 배수는 모두 제거한다
- [Step 3] 아직 처리하지 않은 가장 작은 수 5를 제외한 5의 배수는 모두 제거한다
- [Step 4] 마찬가지의 과정을 반복했을 때 최종적인 결과는 다음과 같다
에라토스테네스의 체 알고리즘 (Python)
import math
n = 1000 # 2부터 1,000까지의 모든 수에 대하여 소수 판별
array = [True for i in range(n + 1)] # 처음엔 모든 수가 소수(True)인 것으로 초기화
# 에라토스테네스의 체 알고리즘
for i in range(2, int(math.sqrt(n)) + 1): # 2부터 n의 제곱근까지의 모든 수를 확인하며
if array[i] == True: # i가 소수인 경우 (남은 수인 경우)
# i를 제외한 i의 모든 배수를 지우기
j = 2
while i * j <= n:
array[i * j] = False
j += 1
# 모든 소수 출력
for i in range(2, n + 1):
if array[i]:
print(i, end=' ')
에라토스테네스의 체 알고리즘 (Java)
import java.util.*;
class Main {
public static int n = 1000; // 2부터 1,000까지의 모든 수에 대하여 소수 판별
public static boolean[] arr = new boolean[n + 1];
public static void main(String[] args) {
Arrays.fill(arr, true); // 처음엔 모든 수가 소수(True)인 것으로 초기화(0과 1은 제외)
// 에라토스테네스의 체 알고리즘 수행
// 2부터 n의 제곱근까지의 모든 수를 확인하며
for (int i = 2; i <= Math.sqrt(n); i++) {
// i가 소수인 경우(남은 수인 경우)
if (arr[i] == true) {
// i를 제외한 i의 모든 배수를 지우기
int j = 2;
while (i * j <= n) {
arr[i * j] = false;
j += 1;
}
}
}
// 모든 소수 출력
for (int i = 2; i <= n; i++) {
if (arr[i]) System.out.print(i + " ");
}
}
}
에라토스테네스의 체 알고리즘 성능 분석
- 에라토스테네스의 체 알고리즘의 시간 복잡도는 사실상 선형 시간에 가까울 정도로 매우 빠르다
- 시간 복잡도는 O(NloglogN) 이다
- 에라토스테네스의 체 알고리즘은 다수의 소수를 찾아야 하는 문제에서 효과적으로 사용될 수 있다
- 하지만 각 자연수에 대한 소수 여부를 저장해야 하므로 메모리가 많이 필요하다
- 10억이 소수인지 아닌지 판별해야 할 때 에라토스테네스의 체를 사용할 수 있을까?
투 포인터 (Two Pointers)
- 투 포인터 알고리즘은 리스트에 순차적으로 접근해야 할 때 두 개의 점의 위치를 기록하면서 처리하는
알고리즘을 의미한다 - 흔히 2, 3, 4, 5, 6, 7번 학생을 지목해야 할 때 간단히 '2번부터 7번까지의 학생'이라고 부르곤 한다
- 리스트에 담긴 데이터에 순차적으로 접근해야 할 때는 시작점과 끝점 2개의 점으로 접근할 데이터의
범위를 표현할 수 있다
특정한 합을 가지는 부분 연속 수열 찾기: 문제 설명
- N개의 자연수로 구성된 수열이 있다
- 합이 M인 부분 연속 수열의 개수를 구하라
- 수행 시간 제한은 O(N) 이다
특정한 합을 가지는 부분 연속 수열 찾기: 문제 해결 아이디어
- 투 포인터를 활용하여 다음과 같은 알고리즘으로 문제를 해결할 수 있다
- 시작점(start)과 끝점(end)이 첫 번째 원소의 인덱스(0)를 가리키도록 한다
- 현재 부분 합이 M과 같다면, 카운트한다
- 현재 부분 합이 M보다 작다면, end를 1 증가시킨다
- 현재 부분 합이 M보다 크거나 같다면, start를 1 증가시킨다
- 모든 경우를 확인할 때까지 2번부터 4번까지의 과정을 반복한다
-
𝑀 = 5
-
[초기 단계] 시작점과 끝점이 첫 번째 원소의 인덱스를 가리키도록 한다
- 현재의 부분합은 1이므로 무시한다
- 현재 카운트: 0
- [Step 1] 이전 단계에서의 부분합이 1이었기 때문에 end를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 3이므로 무시한다
- 현재 카운트: 0
- [Step 2] 이전 단계에서의 부분합이 3이었기 때문에 end를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 6이므로 무시한다
- 현재 카운트: 0
- [Step 3] 이전 단계에서의 부분합이 6이었기 때문에 start를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 5이므로 카운트를 증가시킨다
- 현재 카운트: 1
- [Step 4] 이전 단계에서의 부분합이 5이었기 때문에 start를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 3이므로 무시한다
- 현재 카운트: 1
- [Step 5] 이전 단계에서의 부분합이 3이었기 때문에 end를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 5이므로 카운트를 증가시킨다
- 현재 카운트: 2
- [Step 6] 이전 단계에서의 부분합이 5이었기 때문에 start를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 2이므로 무시한다
- 현재 카운트: 2
- [Step 7] 이전 단계에서의 부분합이 2였기 때문에 end를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 7이므로 무시한다
- 현재 카운트: 2
- [Step 8] 이전 단계에서의 부분합이 7이었기 때문에 start를 1 증가시킨다
- 현재의 부분합은 5이므로 카운트를 증가시킨다
- 현재 카운트: 3
특정한 합을 가지는 부분 연속 수열 찾기: 코드 예시 (Python)
n = 5 # 데이터의 개수 N
m = 5 # 찾고자 하는 부분합 M
data = [1, 2, 3, 2, 5] # 전체 수열
count = 0
interval_sum = 0
end = 0
# start를 차례대로 증가시키며 반복
for start in range(n):
# end를 가능한 만큼 이동시키기
while interval_sum < m and end < n:
interval_sum += data[end]
end += 1
# 부분합이 m일 때 카운트 증가
if interval_sum == m:
count += 1
interval_sum -= data[start]
print(count)
실행 결과
3
특정한 합을 가지는 부분 연속 수열 찾기: 코드 예시 (Java)
import java.util.*;
class Main {
public static int n = 5; // 데이터의 개수 N
public static int m = 5; // 찾고자 하는 부분합 M
public static int[] arr = {1, 2, 3, 2, 5}; // 전체 수열
public static void main(String[] args) {
int cnt = 0;
int intervalSum = 0;
int end = 0;
// start를 차례대로 증가시키며 반복
for (int start = 0; start < n; start++) {
// end를 가능한 만큼 이동시키기
while (intervalSum < m && end < n) {
intervalSum += arr[end];
end += 1;
}
// 부분합이 m일 때 카운트 증가
if (intervalSum == m) {
cnt += 1;
}
intervalSum -= arr[start];
}
System.out.println(cnt);
}
}
실행 결과
3
구간 합 (Interval Sum)
- 구간 합 문제: 연속적으로 나열된 N개의 수가 있을 떄 특정 구간의 모든 수를 합한 값을 계산하는 문제
- 예를 들어 5개의 데이터로 구성된 수열 {10, 20, 30, 40, 50}이 있다고 가정하자
- 두 번째 수부터 네 번째 수까지의 합은 20 + 30 + 40 = 90이다
구간 합 빠르게 게산하기: 문제 설명
- 𝑁개의 정수로 구성된 수열이 있다
- 𝑀개의 쿼리(Query)정보가 주어진다
- 각 쿼리는 𝐿𝑒𝑓𝑡와 𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡으로 구성된다
- 각 쿼리에 대하여 [𝐿𝑒𝑓𝑡,𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡] 구간에 포함된 데이터들의 합을 출력해야 한다
- 수행 시간 제한은 O(N + M) 이다
구간 합 빠르게 게산하기: 문제 해결 아이디어
- 접두사 합(Prefix Sum): 배열의 맨 앞부터 특정 위치까지의 합을 미리 구해 놓은 것
- 접두사 합을 활용한 알고리즘은 다음과 같다
- 𝑁개의 수 위치 각각에 대하여 접두사 합을 계산하여 𝑃에 저장한다
- 매 𝑀개의 쿼리 정보를 확인할 때 구간 합은 𝑃[𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡] - 𝑃[𝐿𝑒𝑓𝑡 - 1]이다
구간 합 빠르게 게산하기: 코드 예시 (Python)
# 데이터의 개수 N과 전체 데이터 선언
n = 5
data = [10, 20, 30, 40, 50]
# 접두사 합(Prefix Sum) 배열 계산
sum_value = 0
prefix_sum = [0]
for i in data:
sum_value += i
prefix_sum.append(sum_value)
# 구간 합 계산 (세 번째 수부터 네 번째 수까지)
left = 3
right = 4
print(prefix_sum[right] - prefix_sum[left - 1])
실행 결과
70
구간 합 빠르게 게산하기: 코드 예시 (Java)
import java.util.*;
class Main {
public static int n = 5; // 데이터의 개수 N과 데이터 입력받기
public static int arr[] = {10, 20, 30, 40, 50};
public static int[] prefixSum = new int[6];
public static void main(String[] args) {
// 접두사 합(Prefix Sum) 배열 계산
int sumValue = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
sumValue += arr[i];
prefixSum[i + 1] = sumValue;
}
// 구간 합 계산(세 번째 수부터 네 번째 수까지)
int left = 3;
int right = 4;
System.out.println(prefixSum[right] - prefixSum[left - 1]);
}
}
실행 결과
70
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