Miller

xiaoxiao2021-02-28  8

部分引用自:

http://blog.csdn.net/fisher_jiang/article/details/986654

很大部分引用自:

http://www.matrix67.com/blog/archives/234

从零开始~

同余式

同余式的定义

如果两个正整数a和b之差能被n整除,我们就说a和b对模n同余,记作 a  b (mod n)

同余式的运算

+ - * 均可, / 的时候注意:

若c与n互质,则有 a / c ≡ b / c ( mod n ) 简单解释:  如果ac≡bc(mod m),且c和m互质,则a≡b(mod m) (就是说同余式两边可以同时除以一个和模数互质的数)。 证明:条件告诉我们,ac-mp = bc-mq,移项可得ac-bc = mp-mq,也就是说(a-b)c = m(p-q)。这表明,(a-b)c里需要含有因子m,但c和m互质,因此只有可能是a-b被m整除,也即a≡b(mod m)。 [matrix67] 若a / c ≡ b / c ( mod n ) , 则不一定有c与n互质. 反例: 4 ≡ 64 (mod 10)   两边同除以c = 2 (n = 10) 2 ≡ 32 (mod 10)

Wilson定理

当且仅当p为素数时:( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ).

简要来说就是{ 2..p-2 }之间的数可以两两配对,乘积与1模p同余.

因此这些连乘的部分都可以换成1,只剩下了 1* ( p-1 ).由最后一式,得证.

[但是为什么可以两两配对, 目前还没看懂, 以后看懂了补上吧]

Wilson定理有很高的理论价值.但实际用于素数测试所需要计算量太大,无法实现对较大素数的测试.到目前为止,尚未找到素数测试的有效的确定性算法.

Fermat小定理

著名的费马小定理为素数判定提供了一个有力的工具.

费马小定理:如果p是一个素数,(0<a<p),

证明是容易的.

Euler定理

Euler对这个定理进行了推广,叫做Euler定理,有些地方叫做Fermat小定理的Euler推广。Euler定理中需要用一个函数f(m),它表示小于m的正整数中有多少个数和m互素(两个数只有公约数1称为互素)。为了方便,我们通常用记号φ(m)来表示这个函数(称作Euler函数)。

Euler指出,如果a和m互素,那么

可以看到,当m为素数时,φ(m)就等于m-1(所有小于m的正整数都与m互素),因此它是Fermat小定理的推广。定理的证明和Fermat小定理几乎相同,只是要考虑的式子变成了所有与m互素的数的乘积:

Fermat素数测试

1819年有人发现了Fermat小定理逆命题的第一个反例:虽然2的340次方除以341余1,但341=11*31。后来,人们又发现了561, 645, 1105等数都表明a=2时Fermat小定理的逆命题不成立。人们把所有能整除2^(n-1)-1的合数n叫做伪素数(pseudoprime)。

不满足的n一定不是素数;如果满足的话则多半是素数。这样,一个比试除法效率更高的素性判断方法出现了:制作一张伪素数表,记录某个范围内的所有伪素数,那么所有满足且不在伪素数表中的n就是素数。之所以这种方法更快,是因为我们可以使用二分法快速计算的值(快速幂)。

然而不借助伪素数表的时候,算法出错的概率太高,需要改进.

我们刚才只考虑了a=2的情况。一个合数可能在a=2时通过了测试,但a=3时的计算结果却排除了素数的可能。于是,人们扩展了伪素数的定义,称满足a^(n-1) mod n = 1的合数n叫做以a为底的伪素数(pseudoprime to base a)。

随机选择若干个小于待测数的正整数作为底数a进行若干次测试,只要有一次没有通过测试就立即把这个数扔回合数的世界。这就是Fermat素性测试。

费马小定理毕竟只是素数判定的一个必要条件.满足费马小定理条件的整数n未必全是素数.有些合数也满足费马小定理的条件***.这些合数被称作Carmichael,3Carmichael数是561,1105,1729. Carmichael数是非常少的.1~100000000范围内的整数中,只有255Carmichael.

***费马小定理的前提是a和n互质。当n本身就是素数的时候如果a<n那么a和n始终互素;但n不是素数时a和n不互素的话不能用费马小定理。也就是说,Carmichael数需要排除a和n不互素的情况.

利用下面的二次探测定理可以对上面的素数判定算法作进一步改进,以避免将Carmichael数当作素数.

Miller_Rabin素数测试算法

二次探测定理优化

 Miller和Rabin两个人的工作让Fermat素性测试迈出了革命性的一步,建立了Miller-Rabin素性测试算法。新的测试基于下面的定理:

如果p是素数,x是小于p的正整数,且,那么要么x=1,要么x=p-1。

这是显然的,因为相当于p能整除,也即p能整除(x+1)(x-1)。

由于p是素数,那么只可能是x-1能被p整除(此时x=1) 或 x+1能被p整除(此时x=p-1)。

我们下面来演示一下上面的定理如何应用在Fermat素性测试上。前面说过341可以通过以2为底的Fermat测试,因为2^340 mod 341=1。如果341真是素数的话,那么2^170mod 341只可能是1或340;当算得2^170 mod 341确实等于1时,我们可以继续查看2^85除以341的结果。我们发现,2^85 mod 341=32,这一结果摘掉了341头上的素数皇冠

这就是Miller-Rabin素性测试的方法。不断地提取指数n-1中的因子2,把n-1表示成(其中d是一个奇数)。那么我们需要计算的东西就变成了除以n的余数。于是,要么等于1,要么等于n-1。如果等于1,定理继续适用于,这样不断开方开下去,直到对于某个i满足或者最后指数中的2用完了得到的。这样,Fermat小定理加强为如下形式:

尽可能提取因子2,把n-1表示成,如果n是一个素数,那么或者,或者存在某个i使得 ( 0<=i<r ) (注意i可以等于0,这就把的情况统一到后面去了)

Miller-Rabin素性测试同样是不确定算法,我们把可以通过以a为底的Miller-Rabin测试的合数称作以a为底的强伪素数(strong pseudoprime)。第一个以2为底的强伪素数为2047。第一个以2和3为底的强伪素数则大到1 373 653。 Miller-Rabin算法的代码也非常简单:计算d和r的值(可以用位运算加速,即快速积,快速幂),然后二分计算的值,最后把它平方r次。

/*对应hoj 1356 Prime Judge*/ #include <cstdio> #define MT 5 using namespace std; typedef long long ll; int prime[] = {2, 3, 7, 61, 24251}; inline ll mulmod(ll a, ll b, ll k) {//*标出了核心语句 /* // a %= k; // b %= k; if (b < 0) {///将b变为正的 a = -a; b = -b; } ll re = 0, temp = a; ///re为最终结果,temp保持循环.re需要temp的时候,就加一下,否则temp继续累乘 while (b) { if (b & 1) re += temp;///二进制思想,需要即加* // re %= k; b >>= 1;///下一位等待检测** temp <<= 1;///temp一直累乘*** // temp %= k; } return re%k;*/ /*实际上呢,用以上的函数在hoj 1356是会TLE的(mod太多次了...)~应该用下面的方法...*/ return (a*b)%k;//-_-b } //此时不需要再模,于是只剩下核心语句~快速幂和快速积都是二进制思想,核心是一样的 inline ll powermod(ll a, ll b, ll k) { ll re = 1, temp = a; while (b) { if (b & 1) re = mulmod(re, temp, k);//只是把"加"入答案变为"乘"入答案 temp = mulmod(temp, temp, k); b >>= 1; } return re; } int TwiceDetect(ll a, ll b, ll k) { int t = 0; ll x, y; while ((b & 1) == 0) { b >>= 1; t++; } /// b = d * 2^t; b = d; y = x = powermod(a, b, k);/// x = y = a^d % n ///二次探测定理是反向递归的,当然也可以用如下的正向迭代法去测试 while (t--) { y = mulmod(x, x, k); if (y == 1 && x != 1 && x != k - 1)///注意y!=1的时候是不做判断的,即对应 return 0;///递归时在某一环节x==p-1的情况,对此x开方则无意义,但是迭代的话不能break,只能ignore并继续. x = y;///继续向高次迭代,那么至少最后一次应该是等于1的(Fermat小定理) } return y; } bool Miller_Rabin(ll n) { int i; ll tmp; for (i = 0; i < MT; i++) { tmp = prime[i]; if (n == prime[i]) return true; if (TwiceDetect(tmp, n - 1, n) != 1) break; } return (i == MT); } int main() { ll n; while (scanf("%lld", &n) == 1) { if ((n > 1) && Miller_Rabin(n)) { printf("YES\n"); } else { printf("NO\n"); } } return 0; }

对于大数的素性判断,目前Miller-Rabin算法应用最广泛。一般底数仍然是随机选取,但当待测数不太大时,选择测试底数就有一些技巧了。比如,如果被测数小于4 759 123 141,那么只需要测试三个底数2, 7和61就足够了。当然,你测试的越多,正确的范围肯定也越大。如果你每次都用前7个素数(2, 3, 5, 7, 11, 13和17)进行测试,所有不超过341 550 071 728 320的数都是正确的。如果选用2, 3, 7, 61和24251作为底数,那么10^16内唯一的强伪素数为46 856 248 255 981。这样的一些结论使得Miller-Rabin算法在OI中非常实用。通常认为,Miller-Rabin素性测试的正确率可以令人接受,随机选取k个底数进行测试算法的失误率大概为4^(-k)。

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