梅森素数的第二种测试方法:Miller—Rabin素性测试
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,且(0<a<p),则
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数,前3个Carmichael数是561,1105,1729. Carmichael数是非常少的.在1~100000000范围内的整数中,只有255个Carmichael数.
***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)。
(根据同余式的相关定理可得到上面的定理对下述表达的应用,下述为二次探测定理的逆应用)
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)
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<cstring>
#include<time.h>
#define times 12
using namespace std;
long long random(long long n)
{
return (long long)((double)rand()/RAND_MAX*n+0.5);
}
long long multi(long long a,long long b,long long m)///快速积
{
long long ans=0;
while(b)
{
if(b&1)
{
ans=(ans+a)%m;
b--;
}
b>>=1;
a=(a<<1)%m;
}
return ans;
}
long long quick_mod(long long a,long long b,long long m)///在快速幂套用快速积
{
long long ans=1;
while(b)
{
if(b&1)
{
ans=multi(ans,a,m);
b--;
}
b>>=1;
a=multi(a,a,m);
}
return ans;
}
bool witness(long long a,long long n)
{
long long m=n-1;///a刚开始的指数
int j=0;
while(m&1==0)///如果m为偶数,将m分解成一个奇数乘以2的多少次幂的形式
{
j++;///j记录了2的指数
m>>=1;
}
long long x=quick_mod(a,m,n);
if(x==1||x==n-1)///通过了fermat素性测试
return false;
while(j--)///从后往前推,直到有符合的条件为止
{
x=x*x%m;
if(x==n-1)
return false;
}
return true;
}
bool miller_rabin(long long n)
{
if(n<2) return false;
if(n==2) return true;
if(n&1==0) return false;
for(int i=1;i<=times;i++)
{
long long a=random(n-2)+1;
if(witness(a,n))
return false;
}
return true;
}
int main()
{
int t,p;
long long n;
cin>>t;
while(t--)
{
scanf("%d",&p);
n=((long long)1<<p)-1;
if(miller_rabin(n))
cout<<"yes"<<endl;
else
cout<<"no"<<endl;
}
return 0;
}