Pollard Rho算法浅谈

本文介绍Pollard Rho算法,它是一种用于大整数因数分解的算法,具有空间复杂度Θ(1)的优势。文中阐述了其原理,涉及生日悖论、Miller Rabin素性测试等,还介绍了算法的做法及多种优化方法,如GCD优化、过河拆桥优化法等,并给出P4718的代码。

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Pollard Rho介绍

Pollard Rho算法是Pollard[1]在1975年[2]发明的一种将大整数因数分解的算法

其中Pollard来源于发明者Pollard的姓,Rho则来自内部伪随机算法固有的循环

Pollard Rho算法在其他因数分解算法[3]中不算太出众,但其空间复杂度Θ(1)的优势和好打的代码使得OIer更倾向于使用Pollard Rho算法

毕竟试除法太慢了,谁没事打Pollard Rho不打试除法


 

Pollard Rho原理

生日悖论

如果一年只有365天(不计算闰年),且每个人的生日是任意一天的概率均相等,那么只要随机选取23人,就有50%以上的概率有两人同一天生日

解释:第一个人不会和前面的人重生日(因为前面没有人),第二个人不重生日的概率为364/365,第三个人363/365……以此类推,那么只要到第23个人,就有,说明这时就有50%以上的概率有两人同生日

更多的,当一年有n天时,只要人数到达Θ(sqrt(n))的数量级,有至少两个人同一天生日的概率就可以达到50%以上

图象表达:

Miller Rabin素性测试[4][4']

其实Miller Rabin素性测试不是那么重要(因为不是Pollard Rho算法的核心),但没有它,Pollard Rho算法会被试除法拖慢到比朴素算法更差

这里就不再赘述,想要学习的请移步至维基百科(百度百科真是垃圾)

快速幂&比硬件还慢的快速乘&GCD

这应该是大多数数论算法的标配,不会的请先百度或谷歌

Floyd判圈算法[5]

Floyd判圈算法又叫龟兔赛跑算法,是用差速转移的方式快速判断是否进入环的算法

想象有一只兔子和一只乌龟按一个确定函数从同一个起点移动,兔子每次可以转移两次,乌龟可以转移一次

(OI算法中一张奇怪的图片)

那么如果这个确定函数上没有环,那么兔子一定会在乌龟前面,二者一定不会相交

否则,由于函数上有环,兔子一定会“追上”乌龟,也就是“套圈”

不仅如此,对算法分析可知,当兔子“追上”乌龟时,兔子也一定跑了刚好一圈(就是不证明,你来打我呀)


 

Pollard Rho算法的做法

介绍所有算法前先要声明一下:在每次操作前要先判断是不是素数,否则找不出原数的非平凡因子

这里要用Miller Rabin素性测试快速判断,以保证其高效性(不然提到这家伙是干什么的)

GCD优化+随机化试除法

试除法是一种朴素的因数分解算法,加了随机化后其实并没有多大用而且还更慢了

但是如果我们退而求其次——不直接寻找因子,而是寻找因子的倍数,然后用GCD找到因子本身呢

随机寻找到一个因子的倍数的概率为,确实比直接找因子的随机化试除法好了一点点,但当因子很大时依旧没什么用

PS:在Pollard Rho算法中随机数算法一般用F(x)=x2+c(这个函数具有混沌性,实现又简单,所以比较常用,我也不知道能不能用其他函数,应该是可以的)

向成熟的Pollard Rho算法迈进

把原来的一个随机数变成两个数的差,这样就得到了比较常见的Pollard Rho算法模板

看上去似乎并没有什么用(实际上对效率也没什么帮助),但是我们可以把两个随机数设为Floyd判圈算法中的“兔子”和“乌龟”,从而在走上“不归路”前及时退出

PS:看上去似乎到现在都还没有用到生日悖论的概率增大,但是实际上当寻找次数比较小时不记录的随机和记录的随机概率相近

减少GCD数目——过河拆桥优化法

每次产生一对随机数都要求一次GCD,对算法的效率有着很大影响。有什么办法可以减少求GCD的次数呢?

我们可以发现,把多个数相乘再取GCD一定不会使找出的因子大小更小

所以说,我们可以将K个差相乘,然后GCD一次判断,找到非平凡因子的概率就更大了

需要注意的是,当乘积变成要求分解的数的倍数时,说明最后一对随机数一定对结果有贡献,数对差一定是一个因子的倍数

不仅如此,当循环因为找到环而退出时应该把已有的乘积进行判断(连尸体都不放过)

PS:这里的K一般取127,我也不知道为什么

《算法导论》的优化——倍增求圈法

当随机数的转移算法比较复杂时,Floyd判圈算法的多次转移就会成为性能的瓶颈。有什么办法可以少转移呢?

可以想到,我们可以不直接寻找环的出现,而是在转移时标记一个记录点,当发现走到了记录点,就说明我们已经走了至少一圈环

但又要怎么打标记点呢?打得太少会退化,打得太多又会影响效率,必须要和环的长度差不多才行,这就变成了猜测环的长度的问题了

而每次猜测环的长度可以用倍增的方法,首先猜环的长度在K以内,如果没走到,那么不是猜小了就是记录点选错了,把记录点换成现在这个点,再继续猜测环的长度为2K

所以又怎么替代Floyd判圈算法呢?由于记录点自身也是随机数,具有一定的随机性,那就干脆直接代替Floyd判圈算法的“乌龟”得了

在已有算法上卡一卡常——让子弹再飞一会

  • Miller Rabin素性测试的正确性很高,按洛谷P4718的题解_皎月半洒花在测试时只要测2和61就能过,但正确性也许无法保证,需要2,3,5,7,11,13,17,19和23都测一遍[6]
  • 用register运算符修饰临时变量,优化硬件速度(register可以让数据被存储到更快的CPU寄存器中)
  • 用快一点的快速乘算法,并尽量减少强制类型转换的次数

 

P4718的代码——Pollard Rho算法

 1 #define LL long long
 2 bool IsPrime(LL);//返回素性测试结果
 3 LL GCD(LL,LL);//返回两个数的GCD
 4 LL Mix(LL,LL,LL);//返回两个数在模运算下的乘积
 5 
 6 void MaxFactor(LL n,LL &ans){
 7         if(n==1||n<=ans||IsPrime(n)){
 8         ans=max(ans,n);
 9         return;//判断特殊情况:n为1或素数,n一定不能更新ans
10     }
11     for(LL c=rand()%(n-1)+1;;c++){
12         //为防止随机数无效化,使用死循环
13         LL t1=rand()%(n-1)+1,t2=(Mix(t1,t1,n)+c)%n;
14         LL p=1,i=0,g=0;
15         while(t1!=t2){
16             p=Mix(p,abs(t1-t2),n);
17             if(!p){//乘积为0时说明找到了一个因子
18                 g=GCD(n,abs(t1-t2));
19                 if(g>1&&g<n){
20                     MaxFactor(g,ans);
21                     MaxFactor(n/g,ans);
22                 }
23                                 return;
24             }
25             ++i;
26             if(i==127){//当有127个数时强制测试
27                 g=GCD(n,p);
28                 if(g>1&&g<n){
29                     MaxFactor(g,ans);
30                     MaxFactor(n/g,ans);
31                     return;
32                 }
33                 p=1,i=0;
34             }
35             t1=(Mix(t1,t1,n)+c)%n;
36             t2=(Mix(t2,t2,n)+c)%n;
37             t2=(Mix(t2,t2,n)+c)%n;
38         }
39         g=GCD(n,p);
40         if(g>1&&g<n){//循环退出后收尾
41             MaxFactor(g,ans);
42             MaxFactor(n/g,ans);
43             return;
44         }
45     }
46 }

 

参考资料

洛谷日报:https://www.luogu.org/blog/zenyz/pollardrho-kuai-su-fen-xie-zhi-yin-shuo

P4718题解:https://www.luogu.org/problemnew/solution/P4718

Pollard Rho算法——维基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Pollard%27s_rho_algorithm

Miller Rabin素性测试——维基百科:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B1%B3%E5%8B%92-%E6%8B%89%E5%AE%BE%E6%A3%80%E9%AA%8C

——会某人

转载于:https://www.cnblogs.com/Iamafool/p/10924390.html

<think>我们详细解释 Pollard Rho 算法用于质因数分解的原理。该算法由 John Pollard 在 1975 提出,主要用于分解大整数的非平凡因子。其核心思想是利用一个特的伪随机序列来生成可能因子,并通过最大公约数(GCD)检测来寻找因子。 ### 1. 算法动机 直接试除法在分解大整数时效率低下(尤其是当因子较大时)。Pollard Rho 算法利用以下观察: - 设 $n$ 为待分解的合数,$p$ 是 $n$ 的一个非平凡因子($1<p<n$)。 - 考虑一个模 $n$ 的伪随机序列 $\{x_k\}$,如果序列模 $p$ 的值出现重复(即 $x_i \equiv x_j \pmod{p}$),那么 $|x_i - x_j|$ 将是 $p$ 的倍数。此时,计算 $\gcd(|x_i - x_j|, n)$ 可能会得到 $p$(或者 $n$ 本身,此时需调整参数重新尝试)。 然而,直接存储所有序列值并检查重复需要大量内存。Pollard Rho 算法通过 Floyd 的循环检测算法(龟兔赛跑)来高效检测循环,从而节省内存。 ### 2. 伪随机函数 通常使用一个二次函数生成伪随机序列: $$ x_{k+1} = (x_k^2 + c) \mod n $$ 其中 $c$ 是一个随机常数(通常 $c \neq 0, -2$),初始值 $x_0$ 随机选择。 ### 3. 循环检测(Floyd 方法) 设序列 $\{x_k\}$ 模 $p$ 存在循环(因为模 $p$ 的值域有限,循环必然出现)。Floyd 方法使用两个指针(龟和兔): - 龟指针每次走一步:$t = x_i$ - 兔指针每次走两步:$h = x_{2i}$ - 当 $i$ 增加到某个值时,若 $\gcd(|t - h|, n) > 1$,则找到了一个因子。 具体步骤: 1. 初始化:$x = y = 2$(通常从2开始),$c$ 随机选择(如 $c=1$),$d = 1$。 2. 循环直到 $d \neq 1$: - $x = f(x) = (x^2 + c) \mod n$ - $y = f(f(y))$ (即 $y$ 走两步) - 计算 $d = \gcd(|x - y|, n)$ 3. 如果 $d = n$,则算法失败(需换 $c$ 重新开始);否则 $d$ 是 $n$ 的一个因子。 ### 4. 为什么能分解? 由于序列模 $p$ 会形成循环(形如希腊字母 $\rho$,因此得名),而模 $n$ 的序列可以看作模 $p$ 和模 $n/p$ 的组合。当两个指针在模 $p$ 下进入循环时,$|x_i - x_j|$ 是 $p$ 的倍数,因此 $\gcd(|x_i - x_j|, n)$ 至少包含因子 $p$。但若同时是 $n$ 的倍数,则得到 $d=n$(失败)。 ### 5. 算法效率 - 期望时间复杂度为 $O(n^{1/4} \log n)$,比试除法($O(\sqrt{n})$)快得多。 - 算法是概率性的,可能失败,但可通过调整随机参数 $c$ 和 $x_0$ 重新尝试。 ### 6. 代码示例(Python) 以下是一个简化的 Pollard Rho 实现: ```python import math import random def pollard_rho(n): if n == 1: return 1 if n % 2 == 0: return 2 # 函数 f(x) = x^2 + c x = random.randint(2, n-1) y = x c = random.randint(1, n-1) d = 1 while d == 1: x = (x*x + c) % n y = (y*y + c) % n y = (y*y + c) % n # y 走两步 d = math.gcd(abs(x-y), n) if d == n: # 失败,重新选择参数 return pollard_rho(n) return d # 示例:分解 n = 10403 n = 10403 factor = pollard_rho(n) print(f"{n} 的一个因子是: {factor}") ``` ### 7. 完整质因数分解 使用 Pollard Rho 算法分解一个合数 $n$ 的完整步骤: 1. 如果 $n$ 是质数(用米勒-拉宾测试),直接输出。 2. 用 Pollard Rho 算法找到一个因子 $d$。 3. 递归分解 $d$ 和 $n/d$。 注意:实际应用中需处理小因子(如先试除小质数)以提升效率。 ### 总结 Pollard Rho 算法利用伪随机序列的循环特性和最大公约数计算,高效地寻找大整数的非平凡因子。其核心在于循环检测和随机参数调整,是一种概率算法但效率显著高于试除法[^1][^2]。 §§相关问题§§ 1. Pollard Rho 算法中如何选择随机参数 $c$ 和初始值 $x_0$ 以提高成功率? 2. 米勒-拉宾素性测试的原理和实现细节是什么? 3. 除了 Pollard Rho,还有哪些高效的大数分解算法(如二次筛法、数域筛法)? 4. 如何将 Pollard Rho 算法试除法结合进行完整的质因数分解?</think>### Pollard Rho 算法原理详解 Pollard Rho 算法是一种高效的**概率性质因数分解算法**,专门用于寻找大整数的非平凡因子(即大于1且小于整数本身的因子)。其核心思想基于**生日悖论**和**循环检测**,通过伪随机序列寻找因子。以下是逐步原理分析: --- #### 1. 算法基础:生日悖论 生日悖论指出:在 $N$ 个人中,有两人同一天生日的概率远高于直觉预期。类似地,在模 $p$($p$ 是 $n$ 的因子)下,随机序列中两个值碰撞($x_i \equiv x_j \pmod{p}$)的概率较高。 - 若 $x_i \equiv x_j \pmod{p}$,则 $\gcd(|x_i - x_j|, n)$ 可能是 $p$ 的倍数(即 $n$ 的非平凡因子)。 - 期望碰撞次数为 $O(\sqrt{p})$,远低于 $O(p)$,这是算法高效的关键[^1]。 --- #### 2. 伪随机序列生成 义迭代函数生成序列: $$ f(x) = (x^2 + c) \mod n $$ 其中: - $x$ 是当前值(初始随机选择) - $c$ 是随机常数(通常 $c \neq 0, -2$) - 序列示例:$x_0, x_1 = f(x_0), x_2 = f(x_1), \dots$ 该序列在模 $n$ 下看似随机,但在模 $p$($p|n$)下会**形成循环**(形如希腊字母 $\rho$,算法因此得名)。 --- #### 3. Floyd 循环检测 为高效检测碰撞,使用两个指针(龟兔赛跑法): - **龟指针**($x$):每次移动一步,$x_{i+1} = f(x_i)$ - **兔指针**($y$):每次移动两步,$y_{i+1} = f(f(y_i))$ - 当 $\gcd(|x_i - y_i|, n) > 1$ 时,找到非平凡因子(可能为 $p$) ```python def pollard_rho(n): x = y = random.randint(2, n-1) # 随机初始化 c = random.randint(1, n-1) # 随机常数 d = 1 while d == 1: x = (x*x + c) % n # 龟走一步 y = (y*y + c) % n # 兔走第一步 y = (y*y + c) % n # 兔走第二步 d = math.gcd(abs(x - y), n) # 检测碰撞 return d # 返回因子 (可能是 n 本身) ``` --- #### 4. 算法步骤 1. **输入**:合数 $n$(非质数) 2. **初始化**: - 随机选择 $x, c \in [2, n-1]$ - 设 $y = x$, $d = 1$ 3. **迭代**: - $x \leftarrow f(x) = (x^2 + c) \mod n$ - $y \leftarrow f(f(y))$(移动两步) - $d \leftarrow \gcd(|x - y|, n)$ 4. **终止条件**: - 若 $d > 1$,返回 $d$(找到因子) - 若 $d = n$,失败(需换 $c$ 重试) 5. **递归分解**:对因子 $d$ 和 $n/d$ 递归调用算法 --- #### 5. 数学原理 设 $p$ 是 $n$ 的最小质因子: - 序列 $\{x_k \mod p\}$ 会进入循环(值域有限) - 龟兔指针在 $O(\sqrt{p})$ 步内以高概率碰撞(生日悖论) - 碰撞时 $x_i \equiv y_i \pmod{p}$,故 $|x_i - y_i|$ 含因子 $p$ - $\gcd(|x_i - y_i|, n)$ 至少包含 $p$(除非是 $n$ 本身) --- #### 6. 时间复杂度 - **期望复杂度**:$O(n^{1/4} \log n)$ - **优势**:比试除法($O(\sqrt{n})$)快指数级 - **概率性**:可能失败,但可通过调整 $c$ 和 $x_0$ 重试 --- #### 7. 完整分解示例(Python) ```python import math import random def is_prime(n): """米勒-拉宾素性测试(简化版)""" if n < 2: return False for p in [2, 3, 5, 7, 11]: if n % p == 0: return n == p return True # 简化处理 def pollard_rho(n): if n % 2 == 0: return 2 x = random.randint(2, n-1) y = x c = random.randint(1, n-1) d = 1 while d == 1: x = (x*x + c) % n y = (y*y + c) % n y = (y*y + c) % n d = math.gcd(abs(x - y), n) if d == n: return pollard_rho(n) # 失败重试 return d def factorize(n): if is_prime(n) or n == 1: return [n] d = pollard_rho(n) return factorize(d) + factorize(n//d) # 分解 n = 10403 (101×103) print(factorize(10403)) # 输出: [101, 103] ``` --- ### 关键点总结 1. **随机性**:$c$ 和初始值 $x$ 随机选择,避免死循环。 2. **碰撞检测**:龟兔赛跑法以 $O(1)$ 空间检测循环。 3. **递归分解**:对找到的因子递归调用,直到得到质因子。 4. **效率**:特别适合分解含中等大小因子的大整数(如 RSA 模数)[^1][^2]。
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