Miller Rabin 素性测试

这是一种高效的对一个给定数做素性测试的非确定性算法。

但目前素性测试已经有了确定性的多项式算法，详见 AKS 素性测试。

费马测试

假如我们已经得到了一个正整数 \(n\)，且 \(n\ge 2\)，需要对它进行素性测试。

一种方法是，使用费马测试，即使用费马小定理：

如果 \(p\) 是素数，\(a\) 是一个整数，且 \(p\nmid a\)，则必然有：

\[a^{p-1}\equiv 1\pmod {p} \]

一次费马测试就是选定一个区间 \([1,p)\) 内的整数 \(a\)，并检测上式是否成立。这样一次测试被称为“基 \(a\) 费马测试”。

容易发现，如果 \(a\) 的选择不恰当，那么即使 \(p\) 是合数，\(a^{p-1}\bmod p\) 也可能为 1。但更加不幸的是，即便是将 \(a\) 取遍 \([1,p)\)，测试结果仍然可能错误——可以通过任意基的费马测试的合数被称为卡米歇尔数。

卡米歇尔数的存在否定了费马测试的正确性。因此，这并不是一种常用的素性测试的方法。

二次探测定理

Miller Rabin 素性测试在费马测试的基础上加入了二次探测定理，从而提高了测试的正确性：

如果 \(p\) 是一个素数，\(x\) 是一个整数。

那么如果 \(x^2\equiv p\pmod p\)，则必然有 \(x\equiv 1\pmod p\) 或 \(x\equiv -1 \pmod p\)。

证明相对来说

Miller Rabin 素性测试

结合二次探测定理和费马小定理，我们可以将 \(p-1\) 分拆为 \(2^kr\)，其中 \(r\) 是一个奇数。由于 \(a^{p-1}=a^{2^kr}\equiv 1\pmod p\)，所以要么 \(a^{2^{k-1}r}\equiv -1\pmod p\)，要么 \(a^{2^{k-1}r}\equiv 1\pmod p\)。如果是后者，我们可以继续将这个关系推下去，最终得到：

要么 \(a^{d}\equiv 1\pmod p\)；

要么存在 \(0\le r<s\)，满足 \(a^{2^rd}\equiv -1\pmod p\)。

此外，当然应该有 \(a^{p-1}\equiv 1\pmod p\)。（不过在实现时，合理地使用一些技巧后我们可以略去这一步）。

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选取一个 \([1,p)\) 中的 \(a\) 并判断以上条件是否成立的过程，被称为一次基 \(a\) 的 Miller Rabin 测试。当然，对于合数，也有可能会有 \(a\) 使得 \(n\) 可以通过基 \(a\) 的 Miller Rabin 测试。稍后我们会说明一下 Miller Rabin 的判断正确概率。

假设运算时，对于长度为 \(\omega\) 的数进行乘法的复杂度为 \(O(\operatorname{Mul}(\omega))\)，则最终该算法的复杂度为 \(O(k\times \log n\times \operatorname{Mul}(\log n))\)，其中 \(k\) 为进行测试的次数。

Miller Rabin 的正确率

首先需要注意，Miller Rabin 素性测试是蒙特卡洛算法。它只会产生单侧错误——如果没有通过测试，则一定不是素数；如果通过，则有可能不是素数。

根据研究，每进行一次 Miller Rabin 测试，会有约 \(\frac 1 4\) 的概率判断错误，所以进行 \(k\) 次测试后，判断正确的概率约 \(1-4^{-k}\)。实际应用的过程中，这个正确率完全可以接受。

一般来说，在 \(10^9\) 范围内进行素性测试的话，随机 15 个 \(a\) 进行测试即可。而比较常用的方式是，选取较小的若干个素数作为 \(a\) 进行测试。相关内容可以查阅其它资料。

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概率分析：咕咕咕

参考实现

int Qkpow( int base, int indx, const int mod ) {
    // mod < 2^{31}
    LL ret = 1;
    while( indx ) {
        if( indx & 1 ) ret = 1ll * ret * base % mod;
        base = 1ll * base * base % mod, indx >>= 1;
    }
    return ret;
}

bool MillerRabin( const int p ) {
    static int bas[] = { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 };
    int s = 0, d = p - 1;
    for( ; ! ( d & 1 ) ; d >>= 1, s ++ );
    for( int k = 0 ; k < 8 ; k ++ ) {
        if( p == bas[k] ) return true;
        if( ! ( p % bas[k] ) ) return false;
        bool flg = false;
        int x = Qkpow( bas[k], d, p );
        if( x == 1 || x == p - 1 ) continue;
        for( int j = 1 ; j <= s ; j ++ ) {
            x = 1ll * x * x % p;
            if( x == 1 ) return false;
            // 如果仅仅发现 x^2=1，那么之前就不会有 x=1 或 x=-1，也就是没有通过测试
            if( x == p - 1 ) { flg = true; break; }
        }
        if( ! flg ) return false;
        // 如果上述情况都没有发生，那么也说明不是素数
    }
    return true;
}

标签：11,素性,int,Miller,数学,测试,杂记,Rabin,equiv
来源： https://www.cnblogs.com/crashed/p/15549722.html