普通的素数测试我们有O(√ n)的试除算法。事实上,我们有O(s*log³n)的算法。

下面就介绍一下Miller_Rabbin算法思想:

定理一:假如p是质数,且(a,p)=1,那么a^(p-1)≡1(mod p)。即假如p是质数,且a,p互质,那么a的(p-1)次方除以p的余数恒等于1。(费马小定理)

定理二:如果p是一个素数,那么对于x(0<x<p),若x^2 mod p 等于1,则x=1或p-1。

它利用了费马小定理,即:如果p是质数,且a,p互质,那么a^(p-1) mod p恒等于1。也就是对于所有小于p的正整数a来说都应该复合a^(p-1) mod p恒等于1。那么根据逆否命题,对于一个p,我们只要举出一个a(a<p)不符合这个恒等式(就是a^(p-1) mod p恒等于1式子),则可判定p不是素数。Miller-rabin算法就是多次用不同的a来尝试p是否为素数。

但是每次尝试过程中还做了一个优化操作,以提高用少量的a检测出p不是素数的概率。这个优化叫做二次探测。它是根据一个定理:如果p是一个素数,那么对于x(0<x<p),若x^2 mod p 等于1,则x=1或p-1。逆否命题:如果对于x(0<x<p),若x^2 mod p 不等于1,则p不是素数。根据这个定理,我们要计算a^(p-1) mod p是否等于1时,可以这样计算,设p-1=(2^t) * k。我们从a^k开始,不断将其平方直到得到a^(p-1),一旦发现某次平方后mod p等于1了,那么说明符合了二次探测定理的逆否命题使用条件,立即检查x是否等于1或p-1,如果不是则可直接判定p为合数。

一些问题:

1、对于p-1=(2^t) * k这个t的找法,可以记录一下x(x表示(p-1))的二进制形式下末尾有多少0,比如二进制(1000)B代表的是十进制(8)D,8的二进制数形式下末尾0有3个,那么也就是8=(2^3)*1;再例如二进制(11000)B代表的是十进制(24)D,24的二进制数形式下末尾0有3个,那么也就是24=(2^3)*3

2、对于随机数a的生成,因为我们这个算法判断的是p这个数是不是素数,那么素数和任意一个数都互质,题目又有要求a<p所以就随机生成一个[1,p-1]范围内的数就行

3、这个算法的复杂度是O(s*log³n),这个s是我们提前定好的,因为上面说了我们用的是费马小定理的逆否命题,但是该定理的逆命题是不一定成立的,但是令人可喜的是大多数情况是成立的。所以我们可以多找几个数a来验证一下p是否是素数,找几个数,这个多少数就是s

可以证明,使用以上两个定理以后,检验s次出错的概率至多为2^(-s),所以这个算法是很可靠的。

  1. 1 #include<stdio.h>
  2. 2 #include<string.h>
  3. 3 #include<iostream>
  4. 4 #include<algorithm>
  5. 5 #include<queue>
  6. 6 #include<map>
  7. 7 #include<vector>
  8. 8 #include<math.h>
  9. 9 #define mem(a,x) memset(a,x,sizeof(a))
  10. 10 using namespace std;
  11. 11 typedef long long LL;
  12. 12 const int maxn=50005;
  13. 13 const int mod=26;
  14. 14 const int INF=0x3f3f3f3f;
  15. 15 const int Times = 10;
  16. 16 const int N = 5500;
  17. 17 LL ct, cnt;
  18. 18 LL fac[N], num[N];
  19. 19 LL gcd(LL a, LL b) //求两数最大公因子
  20. 20 {
  21. 21 return b? gcd(b, a % b) : a;
  22. 22 }
  23. 23 LL multi(LL a, LL b, LL m) //快速乘
  24. 24 {
  25. 25 LL ans = 0;
  26. 26 a %= m;
  27. 27 while(b)
  28. 28 {
  29. 29 if(b & 1)
  30. 30 {
  31. 31 ans = (ans + a) % m;
  32. 32 b--;
  33. 33 }
  34. 34 b >>= 1;
  35. 35 a = (a + a) % m;
  36. 36 }
  37. 37 return ans;
  38. 38 }
  39. 39 LL pow(LL a, LL b, LL m) //快速幂
  40. 40 {
  41. 41 LL ans = 1;
  42. 42 a %= m;
  43. 43 while(b)
  44. 44 {
  45. 45 if(b & 1)
  46. 46 {
  47. 47 ans = multi(ans, a, m);
  48. 48 b--;
  49. 49 }
  50. 50 b >>= 1;
  51. 51 a = multi(a, a, m);
  52. 52 }
  53. 53 return ans;
  54. 54 }
  55. 55 bool Miller_Rabin(LL n) //判断是不是素数
  56. 56 {
  57. 57 if(n == 2) return true;
  58. 58 if(n < 2 || !(n & 1)) return false;
  59. 59 LL m = n - 1;
  60. 60 int k = 0;
  61. 61 while((m & 1) == 0)
  62. 62 {
  63. 63 k++; //这个k就是我们讲的时候的t
  64. 64 m >>= 1; //这个m就是k
  65. 65 }
  66. 66 for(int i=0; i<Times; i++) //Times就是我们事先定义的s(要找a的个数)
  67. 67 {
  68. 68 LL a = rand() % (n - 1) + 1; //找一个[1,n-1]内的任意数
  69. 69 LL x = pow(a, m, n);
  70. 70 LL y = 0;
  71. 71 for(int j=0; j<k; j++)
  72. 72 {
  73. 73 y = multi(x, x, n);
  74. 74 if(y == 1 && x != 1 && x != n - 1) return false;
  75. 75 x = y;
  76. 76 }
  77. 77 if(y != 1) return false;
  78. 78 }
  79. 79 return true;
  80. 80 }
  81. 81 int main()
  82. 82 {
  83. 83 LL n;
  84. 84 while(cin>>n)
  85. 85 {
  86. 86 if(Miller_Rabin(n))
  87. 87 printf("是素数\n");
  88. 88 else printf("不是素数\n");
  89. 89 }
  90. 90 return 0;
  91. 91 }

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