二次剩余(Cipolla)

本文介绍了如何利用欧拉准则和Cipolla算法解决模p下的二次同余方程,判断一个数是否为二次剩余,以及在C++代码中实现该算法的过程。

题意

给定一个正整数 nnn,解方程

x2≡n(modp)x^2 \equiv n \pmod{p}x2n(modp)

这里只考虑 ppp 为奇素数的情况。


解的个数

假设对于 nnn 有多个解,其中两个为 x1x_1x1x2x_2x2

那么有

x12−x22≡0(modp)x_1^2 - x_2^2 \equiv 0\pmod{p}x12x220(modp)

(x1−x2)(x1+x2)≡0(modp)(x_1 - x_2)(x_1 + x_2) \equiv 0\pmod{p}(x1x2)(x1+x2)0(modp)

因为 x1≠x2x_1 \ne x_2x1=x2,那么 x1x_1x1x2x_2x2 就一定是相反数,所以对于一个 nnn 要么有两个解,要么无解。

如果对于 nnn 有两个解,则称它为二次剩余,否则为二次非剩余。

顺带一提,因为一对相反数只能构成一个二次剩余,所以二次剩余的个数为 p−12\frac{p-1}{2}2p1 个。


Legendre 符号

(ap)={ 0,p∣a,1,(p∤a)∧((∃x∈Z),x2≡a(modp)),−1,otherwise.\left(\frac{a}{p}\right)=\left\{\begin{array}{l} 0, & p\mid a, \\ 1, & (p\nmid a) \wedge ((\exists x \in Z), x^2\equiv a\pmod{p}), \\ -1, & otherwise.\\ \end{array}\right.(pa)= 0,1,1,pa,(pa)((xZ),

### 关于RSA加密算法中的二次剩余 #### 定义与背景 在密码学领域,特别是对于像RSA这样的非对称加密算法来说,二次剩余是一个重要的概念。如果存在一个整数 \( x \),满足方程 \( x^2 \equiv n (\text{mod}\ p) \),那么\(n\)被称为模p下的二次剩余[^1]。 #### 求方法 为了计算给定的数值是否为某个素数或合数的二次剩余,可以采用不同的数学工具和技术: - **勒让德符号**:用于判断某数是不是奇质数的平方剩余。具体而言,当考虑形如 \(a^{(p−1)/2}(\text{mod}\ p)\) 的表达式时,其结果能够指示出\(a\)相对于质数\(p\)是否构成二次剩余[^3]。 - **雅可比符号**:这是勒让德符号的一个推广版本,适用于处理更大的范围内的数以及更复杂的场景下判定二次同余式的可能性[^4]。 - **Cipolla算法**:这是一种专门用来决有限域上二次非剩余问题的有效算法。它基于构造性的证明来寻找根,并且可以在多项式时间内完成操作[^2]。 - **Tonelli-Shanks算法**:此算法提供了一种有效的方式去找到模大素数意义下的二次剩余的具体值。该算法利用了离散对数的一些性质来进行快速定位可能存在的集。 ```python def tonelli_shanks(n, p): """Find the square root of n modulo prime p using Tonelli-Shanks algorithm.""" q = p - 1 s = 0 while q % 2 == 0: q //= 2 s += 1 if pow(n, (p + 1)//4, p) != 1 and pow(n, (p - 1)//2, p) == 1: z = None for i in range(2, p): if pow(i, (p - 1)//2, p) == p - 1: z = i break c = pow(z, q, p) r = pow(n, (q + 1) // 2, p) t = pow(n, q, p) m = s while True: if t == 1: return r temp_t = t for i in range(m): if temp_t == 1: break temp_t = pow(temp_t, 2, p) b = pow(c, 1 << (m-i-1), p) r = (r * b) % p c = (b * b) % p t = (t * c) % p m = i print("Example usage:") example_p = 7919 # A large enough prime number. example_n = 5833 # The value we want to find its quadratic residue. result = tonelli_shanks(example_n, example_p) if result is not None: print(f"The square roots are ±{result}") else: print("No solution found.") ```
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