引入
给定一个正整数 ,试快速找到它的一个 非平凡因数.
考虑朴素算法,因数是成对分布的, 的所有因数可以被分成两块,即 和 .只需要把 里的数遍历一遍,再根据除法就可以找出至少两个因数了.这个方法的时间复杂度为 .
当 时,这个算法的运行时间我们是无法接受的,希望有更优秀的算法.一种想法是通过随机的方法,猜测一个数是不是 的因数,如果运气好可以在 的时间复杂度下求解答案,但是对于 的数据,成功猜测的概率是 , 期望猜测的次数是 .如果是在 里进行猜测,成功率会大一些.我们希望有方法来优化猜测.
朴素算法
最简单的算法即为从 进行遍历.
C++
vector<int> breakdown(int N) {
vector<int> result;
for (int i = 2; i * i <= N; i++) {
if (N % i == 0) { // 如果 i 能够整除 N,说明 i 为 N 的一个质因子.
while (N % i == 0) N /= i;
result.push_back(i);
}
}
if (N != 1) { // 说明再经过操作之后 N 留下了一个素数
result.push_back(N);
}
return result;
}
Python
def breakdown(N):
result = []
for i in range(2, int(sqrt(N)) + 1):
if N % i == 0: # 如果 i 能够整除 N,说明 i 为 N 的一个质因子.
while N % i == 0:
N //= i
result.append(i)
if N != 1: # 说明再经过操作之后 N 留下了一个素数
result.append(N)
return result
我们能够证明 result 中的所有元素即为 N 的全体素因数.
证明 result 中即为 的全体素因数
首先考察 N 的变化.当循环进行到 i 结束时,由于刚执行结束 while(N % i == 0) N /= i 部分,i 不再整除 N.而且,每次除去一个因子,都能够保证 N 仍整除 .这两点保证了,当循环进行到 i 开始时,N 是 的一个因子,且不被任何小于 i 的整数整除.
其次证明 result 中的元素均为 的因子.当循环进行到 i 时,能够在 result 中存入 i 的条件是 N % i == 0,这说明 i 整除 N,且已经说明 N 是 的因子,故而有 i 是 的因子.当对 i 的循环结束时,若 N 不为一,也会存入 result.此时它根据前文,也必然是 的一个因子.
其次证明 result 中均为素数.我们假设存在一个在 result 中的合数 ,则必然存在 i 不超过 ,满足 i 是 K 的一个因子.这样的 不可能作为循环中的某个 i 存入 result,因为第一段已经说明,当循环到 时,N 不被任何小于 的 i 整除.这样的 也不可能在循环结束后加入,因为循环退出的条件是 i * i > N,故而已经遍历完了所有不超过 的 i,而且据上文所说,这些 i 绝不能整除目前的 N,亦即 .
最后证明,所有 的素因子必然出现在 result 中.不妨假设 是 的一个素因子,但并没有出现在 result 中.根据上文的讨论, 不可能是循环中出现过的 i.设 i 是退出循环前最后的 i,则 i 严格小于 ,而退出循环后的 N 不被之前的 i 整除,故而 整除 N.所以最后的 N 大于一,则根据前文所述,它必然是素数,则 N 就等于 ,必会在最后加入 result,与假设矛盾.
值得指出的是,如果开始已经打了一个素数表的话,时间复杂度将从 下降到 .去 筛法 处查阅更多打表的信息.
例题:CF 1445C
Pollard Rho 算法
引入
利用暴力算法获得一个非平凡因子的复杂度为 ,这里, 是 的最小素因子.而下面要介绍的 Pollard-Rho 算法是一种随机化算法,可以在 的期望复杂度获得一个非平凡因子(注意!非平凡因子不一定是素因子).
它的核心想法是,对于一个随机自映射 ,从任何一点 出发,迭代计算 ,将在 期望时间内进入循环.如果能够找到 ,则 整除 ,这一最大公约数就是 的一个非平凡因子.
要理解进入循环的期望时间为 ,可以从生日悖论中获得启发.
生日悖论
不考虑出生年份(假设每年都是 365 天),问:一个房间中至少多少人,才能使其中两个人生日相同的概率达到 ?
解:假设一年有 天,房间中有 人,用整数 对这些人进行编号.假定每个人的生日均匀分布于 天之中,且两个人的生日相互独立.
设 个人生日互不相同为事件 , 则事件 的概率为
至少有两个人生日相同的概率为 .根据题意可知 , 那么就有
由不等式 可得
因此
将 代入,解得 .所以一个房间中至少 人,使其中两个人生日相同的概率达到 , 但这个数学事实十分反直觉,故称之为一个悖论.
当 , 时,出现两个人同一天生日的概率将大于 1.那么在一年有 天的情况下,当房间中有 个人时,至少有两个人的生日相同的概率约为 .
类似地可以计算,随机均匀地选取一列生日,首次获得重复生日需要的人数的期望也是 .设这一人数为 ,则
这启发我们,如果可以随机选取一列数字,出现重复数字需要的抽样规模的期望也是 的.
利用最大公约数求出一个约数
实际构建一列模 的随机数列并不现实,因为 正是需要求的.所以,我们通过 来生成一个伪随机数序列 :随机取一个 ,令 ,其中 是一个随机选取的常数.
这里选取的函数容易计算,且往往可以生成相当随机的序列.但它并不是完全随机的.举个例子,设 , 生成的数据为
可以发现数据在 以后都在 之间循环.如果将这些数如下图一样排列起来,会发现这个图像酷似一个 ,算法也因此得名 rho.
更重要的是,这样的函数确实提供了 上一个自映射.也就是说,它满足性质:如果 ,则 .
证明
若 ,则 .注意到,,这里 是一个依赖于 的整数,且 ,所以有 ,因而 .
作为 上的伪随机自映射反复迭代得到的序列, 在 的期望时间内就会出现重复.只要我们观察到这样的重复 ,就可以根据 求出一个 的非平凡因子.注意到,由于 未知,我们并没有办法直接判断重复的发生,一个简单的判断方法正是 严格大于一.
这一算法并不是总能成功的,因为 可能等于 .也就是说,.此时, 首次发生重复时,恰好 也发生重复了.我们没有得到一个非平凡因子.而且, 开始循环后,再继续迭代也没有意义了,因为之后只会重复这一循环.该算法应输出分解失败,需要更换 中选取的 重新分解.
根据上文分析,理论上,任何满足 ,且能够保证一定伪随机性的函数 (例如某些多项式函数)都可以用在此处.实践中,主要使用 .2
实现
我们需要实现的算法,能够在迭代过程中快速判断 是否已经出现重复.将 看成以 为顶点的有向图上的边,我们实际要实现的是一个判环算法.只是将判等改为了判断 是否大于一.
Floyd 判环
假设两个人在赛跑,A 的速度快,B 的速度慢,经过一定时间后,A 一定会和 B 相遇,且相遇时 A 跑过的总距离减去 B 跑过的总距离一定是圈长的倍数.
设 ,每一次更新 ,只要检查在更新过程中 和 是否相等,如果相等了,那么就出现了环.
我们每次令 ,判断 d 是否满足 ,若满足则可直接返回 .如果 ,则说明 已经形成环,在形成环时就不能再继续操作了,直接返回 本身,并且在后续操作里调整随机常数 ,重新分解.
基于 Floyd 判环的 Pollard-Rho 算法
C++
ll Pollard_Rho(ll N) {
if (N == 4) return 2; // 因为一开始跳了两步,所以需要特判一下 4
ll c = rand() % (N - 1) + 1;
ll t = f(0, c, N);
ll r = f(f(0, c, N), c, N);
while (t != r) {
ll d = gcd(abs(t - r), N);
if (d > 1) return d;
t = f(t, c, N);
r = f(f(r, c, N), c, N);
}
return N;
}
Python
import random
def Pollard_Rho(N):
if N == 4:
return 2 # 因为一开始跳了两步,所以需要特判一下 4
c = random.randint(1, N - 1)
t = f(0, c, N)
r = f(f(0, c, N), c, N)
while t != r:
d = gcd(abs(t - r), N)
if d > 1:
return d
t = f(t, c, N)
r = f(f(r, c, N), c, N)
return N
Brent 判环
实际上,Floyd 判环算法可以有常数上的改进.Brent 判环从 开始递增 ,在第 轮,让 A 等在原地,B 向前移动 步,如果在过程中 B 遇到了 A,则说明已经得到环,否则让 A 瞬移到 B 的位置,然后继续下一轮.
可以证明3,这样得到环之前需要调用 的次数永远不大于 Floyd 判环算法.原论文中的测试表明,Brent 判环需要的平均时间相较于 Floyd 判环减少了 .
倍增优化
无论是 Floyd 判环还是 Brent 判环,迭代次数都是 的.但是每次迭代都用 判断是否成环会拖慢算法运行速度.可以通过乘法累积来减少求 的次数.
简单来说,如果 ,那么 对于任意 都成立.也就是说,如果计算得到 ,那么必然有其中一对 满足 .如果该乘积在某一时刻得到零,则分解失败,退出并返回 本身.
如果每 对计算一次 ,则算法复杂度降低到 ,这里, 为单次计算 的开销.注意到 和 大致同阶时,可以得到 的期望复杂度.具体实现中,大多选取 .
这里提供 Brent 判环且加上倍增优化的 Pollard-Rho 算法实现.
实现
C++
ll Pollard_Rho(ll x) {
ll t = 0;
ll c = rand() % (x - 1) + 1;
ll s = t;
int step = 0, goal = 1;
ll val = 1;
for (goal = 1;; goal <<= 1, s = t, val = 1) {
for (step = 1; step <= goal; ++step) {
t = f(t, c, x);
val = val * abs(t - s) % x;
// 如果 val 为 0,退出重新分解
if (!val) return x;
if (step % 127 == 0) {
ll d = gcd(val, x);
if (d > 1) return d;
}
}
ll d = gcd(val, x);
if (d > 1) return d;
}
}
Python
from random import randint
from math import gcd
def Pollard_Rho(x):
c = randint(1, x - 1)
s = t = f(0, c, x)
goal = val = 1
while True:
for step in range(1, goal + 1):
t = f(t, c, x)
val = val * abs(t - s) % x
if val == 0:
return x # 如果 val 为 0,退出重新分解
if step % 127 == 0:
d = gcd(val, x)
if d > 1:
return d
d = gcd(val, x)
if d > 1:
return d
s = t
goal <<= 1
val = 1
复杂度
Pollard-Rho 算法中的期望迭代次数为 ,这里 是 的最小素因子.具体实现无论是采用 Floyd 判环还是 Brent 判环,如果不使用倍增优化,期望复杂度都是 ;在加上倍增优化后,可以近似得到 的期望复杂度.
值得一提的是,前文分析基于的是完全随机的自映射函数,但 Pollard-Rho 算法实际使用的是伪随机函数,所以该算法并没有严格的复杂度分析,实践中通常跑得较快.
例题:求一个数的最大素因子
对于一个数 ,用 Miller Rabin 算法 判断是否为素数,如果是就可以直接返回了,否则用 Pollard-Rho 算法找一个因子 ,将 除去因子 .再递归分解 和 ,用 Miller Rabin 判断是否出现质因子,并用 max_factor 更新就可以求出最大质因子了.由于这个题目的数据过于庞大,用 Floyd 判环的方法是不够的,这里采用倍增优化的方法.
实现
#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <iostream>
using namespace std;
using ll = long long;
using ull = unsigned long long;
int t;
ll max_factor, n;
ll gcd(ll a, ll b) {
if (b == 0) return a;
return gcd(b, a % b);
}
ll bmul(ll a, ll b, ll m) { // 快速乘
ull c = (ull)a * (ull)b - (ull)((long double)a / m * b + 0.5L) * (ull)m;
if (c < (ull)m) return c;
return c + m;
}
ll qpow(ll x, ll p, ll mod) { // 快速幂
ll ans = 1;
while (p) {
if (p & 1) ans = bmul(ans, x, mod);
x = bmul(x, x, mod);
p >>= 1;
}
return ans;
}
bool Miller_Rabin(ll p) { // 判断素数
if (p < 2) return false;
if (p == 2) return true;
if (p == 3) return true;
ll d = p - 1, r = 0;
while (!(d & 1)) ++r, d >>= 1; // 将d处理为奇数
for (ll k = 0; k < 10; ++k) {
ll a = rand() % (p - 2) + 2;
ll x = qpow(a, d, p);
if (x == 1 || x == p - 1) continue;
for (int i = 0; i < r - 1; ++i) {
x = bmul(x, x, p);
if (x == p - 1) break;
}
if (x != p - 1) return false;
}
return true;
}
ll Pollard_Rho(ll x) {
ll s = 0, t = 0;
ll c = (ll)rand() % (x - 1) + 1;
int step = 0, goal = 1;
ll val = 1;
for (goal = 1;; goal *= 2, s = t, val = 1) { // 倍增优化
for (step = 1; step <= goal; ++step) {
t = (bmul(t, t, x) + c) % x;
val = bmul(val, abs(t - s), x);
if ((step % 127) == 0) {
ll d = gcd(val, x);
if (d > 1) return d;
}
}
ll d = gcd(val, x);
if (d > 1) return d;
}
}
void fac(ll x) {
if (x <= max_factor || x < 2) return;
if (Miller_Rabin(x)) { // 如果x为质数
max_factor = max(max_factor, x); // 更新答案
return;
}
ll p = x;
while (p >= x) p = Pollard_Rho(x); // 使用该算法
while ((x % p) == 0) x /= p;
fac(x), fac(p); // 继续向下分解x和p
}
int main() {
cin >> t;
while (t--) {
srand((unsigned)time(NULL));
max_factor = 0;
cin >> n;
fac(n);
if (max_factor == n) // 最大的质因数即自己
cout << "Prime\n";
else
cout << max_factor << '\n';
}
return 0;
}
参考资料与链接
Footnotes
-
https://en.wikipedia.org/wiki/Birthday_problem#Reverse_problem ↩
-
Menezes, Alfred J.; van Oorschot, Paul C.; Vanstone, Scott A. (2001). Handbook of Applied Cryptography. Section 3.11 and 3.12. ↩
-
Brent, R. P. (1980), An improved Monte Carlo factorization algorithm, BIT Numerical Mathematics, 20(2): 176–184, doi:10.1007/BF01933190 ↩