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Pollard_Rho大数分解学习小记

苍嘉澍
2023-12-01

前言

  • 该算法用于对大数进行质因子分解。
  • 它的核心思想是:对于一个数N,若N不为质数,设N=c*d(c、d均大于1),我们找到一个c,递归分解c和d。

生日悖论

  • 一个班有k个同学,至少有两名学生的生日是同一天的概率P是多少?
  • 正难则反,考虑容斥。P=1-任意两名学生的生日都不同的概率。
  • k = 1 , P = 0 k=1,P=0 k=1,P=0
  • k = 2 , P = 1 − 1 ∗ 364 365 k=2,P=1-1*\frac{364}{365} k=2,P=11365364
  • k = 3 , P = 1 − 1 ∗ 364 365 ∗ 363 365 k=3,P=1-1*\frac{364}{365}*\frac{363}{365} k=3,P=11365364365363
  • … … ……
  • k = 23 , P = 0.507 k=23,P=0.507 k=23,P=0.507
  • 当k>55时,P就很接近于1了。
  • 当k=100时,P=0.999999692751072。
  • 其实,如果说一年有N天,那么只要 k ≥ N k≥\sqrt N kN ,他们中存在相同生日的概率就会大于50%。(详见《算导》黑书)

这有什么关联吗

  • 估计大家刚看到生日悖论会和我产生同样的疑问:这有什么关联吗?
  • 实际上,关联很大。
  • 我们从[2,N]范围内随机k个数,刚好刷出c或d的概率很小,但如果它们两两作差呢?
  • 拿c来说,我们选出k个数,如果它们有两个数的差的绝对值=c,那就perfect了!

  • 用上面的例子来说,一个班有k个同学,我们想要知道至少有两名同学的生日恰好相差c天的概率是多少。
  • 而且,这次的形势比生日悖论要乐观许多。毕竟恰好相差c天,早c天、晚c天都可以;而且这里的c代指任意一个N的非平凡因子,若N不为质数,那少说也有两个c满足条件。
  • 根据生日悖论的分析,当K取到 N \sqrt N N 时,概率就>50%了。

  • 虽然很有道理,但是我们可以更稳一点。
  • 在这k个数中,如果有两个数a、b,满足gcd(|a-b|,N)>1,那么我们就可以直接选这个gcd了。
  • 这么一来,概率就翻了好多倍了。
  • 因为N=c*d,c和d都很稀有,但是c和d的倍数便是一波大军。

流水线

  • 如果我们要直接取k个数,那么要取到 N 1 4 N^{\frac 14} N41个数,那样很耗空间。
  • 可以不断生成伪随机数,然后像流水线一样判断。
  • 设随机函数 f ( x ) = ( x 2 + c )   m o d   N f(x)=(x^2+c)\ mod\ N f(x)=(x2+c) mod N,其中c为一个定值,可以随机一个。
int find_factor(int N) {
    a = rand();
    for( int i= 1; i <= 1000000; i++ ) {
        b = f(a);
        p = GCD( abs( b - a ) , N);
        if( p > 1 ) return p;//Found factor: p
        a = b;
    }
    return 0;//Failed
}

判断循环

Floyd判圈

  • 发现上面的伪随机函数会循环。我们应如何判环呢?
  • 可以傻逼逼地开个布尔数组,记录一下出现过的数。但是f(x)的取值范围可是0~N-1的;而当N超过 1 0 8 10^8 108的时候,你就gg了。
  • 刘汝佳先生说:想象一下,假设有两个小孩子在一个“可以无限向前跑”的跑道上赛跑,同时出发。但其中一个小孩的速度是另一个的两倍。如果跑道是直的,跑得快的小孩永远在前面;但如果跑道有环,则跑得快的小孩将“追上”跑得慢的小孩。
  • 于是我们yy出了传说中的“Floyd判圈”算法。
int find_factor(int N) {
    a = rand();
    b = a;
    do {
        a = f(a);//a runs once
        b = f(f(b));//b runs twice as fast
        p = GCD( abs( b - a ) , N);
        if( p > 1 ) return p;//Found factor: p
    } while( b != a );
    return 0;//Failed
}
  • 注:据维基百科说,即使n是合数,该算法也可能无法找到非平凡因子。在这种情况下,可以使用除2或不同的起始值再次尝试该方法。

另一种方法——Brent判圈

  • 还有一种做法,是由Richard P. Brent提出的一种判圈法,又叫Brent判圈。
  • 这种做法就是记录一下当前跑到第几个数了,如果跑到2的某个次幂,就将b=a,每次也是求GCD( abs( b - a ) , N),若某次新随机出的a=b则return。
ll get(ll k)
{
	ll a=rand()%(k+1), b=a, c=rand()%k,r,i=1,n=2;
	while(1)
	{
		i++;
		a=f(a);
		if(a==b) return k;
		r=gcd(abs(a-b),k);
		if(1<r&&r<k) return r;
		if(i==n) b=a, n<<=1;
	}
}
  • Brent声称,平均而言,他的循环搜索算法比Floyd的运行速度快36%左右,并且它将Pollard rho算法加速了大约24%。

失败了怎么破

  • 如果算法失败了,我们只需重新弄一个种子,再来一发即可。
  • 不过请放心,大多数时候你并不会失败。

Miller_Rabin有机结合♂♂

  • 我们可以发现pollard rho直到现在都还没有与Miller-Rabin有任何联系,但马上就不是了。
  • 对于pollard rho,它可以在Θ(sqrt§)的时间复杂度内找到N的一个小因子p,这一点我们曾论证过。可见,如果N的因子很多、因子值很小的整数N来说,效率是很优异的。
  • 但是,如果反过来呢?如果说N是大整数,恰好因子很少、因子值很大?

  • 譬如,如果N是一个超大的质数,会发生什么结果?
  • 我们会源源不断地生产随机数,但是每次我们都发现GCD( abs( b - a ) , N) =1,于是每次都失败;然后重设种子,继续奋战……直到最后,你都很难判断这个N是否真的不可约。
  • 但是,一旦拥有Miller_Rabin,一切便都已解决。
  • 我们在想要分解N的时候,预先对其进行素性判定,若其通过,则视其为素数。虽然这么做会降低我们的正确率,但却能显著提高我们的速率。

Code

ll ti(ll x,ll y,ll m)//返回x*y%m的黑科技,不会爆long long
{
	ld d=1;
	d=d*x/m*y;
	return ((x*y-((ll)d)*m)%m+m)%m;
}
ll gcd(ll x,ll y) 
{
	return y?gcd(y,x%y):x;
}
ll get(ll k)//找到k的一个非平凡因子
{
	ll a=rand()%(k+1), b=a, c=rand()%k,r,i=1,n=2;
	while(1)
	{
		i++;
		a=(ti(a,a,k)+c)%k;//a=f(a)
		if(a==b) return k;//如果a=b则遇到圈,算法失败
		r=gcd(abs(a-b),k);
		if(1<r&&r<k) return r;//找到非平凡因子
		if(i==n) b=a, n<<=1;//i达到2的某个次幂,则令b=a
	}
}
void pollard_rho(ll k)//对k进行质因数分解
{
	if(k==1) return;
	if(miller_rabin(k)) {pf[++pf[0]]=k; return;}//如果k为质数则直接return
	ll p=k;
	while(p==k) p=get(k);//不断寻找非平凡因子,直到算法成功
	pollard_rho(k/p),pollard_rho(p);//递归分解k/p和p
}

例题

【JZOJ4732】【NOIP2016提高A组模拟8.23】函数(线筛求欧拉函数+Pollard_Rho大数分解)

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