算法简介

Miller-Rabin算法,这是一个很高效的判断质数的方法,可以在用\(O(logn)\) 的复杂度快速判断一个数是否是质数。它运用了费马小定理和二次探测定理这两个筛质数效率极高的方法。

费马小定理判质数

\(a^{p - 1}\ ≡\ 1\ mod\ p\)

这个定理在 \(p\) 为质数的时候是成立的,所以我们可以如果要判断 \(p\) 是否是质数,可以 \(rand\) 几个 \(a\) 值然后照着这个式子来算,如果算出来不是 \(1\) 那说明 \(p\) 一定不是质数。

但在我们的自然数中,如果照着这个式子算出来的答案为1,也是有可能不是质数的。更有一类合数,它用费马小定理不管 rand 什么数都判不掉。这类合数称为 Carmichael数(卡迈克尔数),其中一个例子就是561(哇,居然这么小)。

二次探测定理

因为Carmichael数的存在,使得我们难以高效判断质数,所以我们还需要加入第二种判断方法使这种伪算法更优秀!而二次探测无疑就是为我们量身定制的算法,因为它要建立在同余式右边为1的基础上(而我们的费马小定理不正好满足了要求吗?)

若 \(b^2≡1\ mod\ p\) 且 \(p\) 为质数 \(=>\) 则 \(p\) 一定可以被 \(b−1\) 和 \(b+1\) 其中一个整除

这是二次探测定理,原理很简单,我们将上面的同余式左右都减1,根据平方差公式可以得出 \((b−1)(b+1)≡\ 0\ mod\ p\) 这其实就代表着等式左边是模数的倍数,但若模数p是质数,则 \((b−1)\) 和 \((b+1)\) 必定存在一个是 \(p\) 的倍数,所以要么 \(b−1=p\ (b=1)\) 或者 \(b+1=p\ (b=p−1)\) 如果不满足则 \(p\) 一定不是质数!然后我们还可以发现若 \(b=1\) 我们又可以进行新一轮二次探测!

根据这个道理,我们可以进行二次探测:因为 \(a^{p−1}≡1\mod\ p\) 如果 \(p−1\) 为偶数的话就可以化成: \(a^{(\frac{p−1}2)^2}≡1\ mod\ p\) 这样就变成了二次探测的基本式。

typedef long long ll;
typedef unsigned long long ull;
typedef long double lb;
inline ll ksc(ull x, ull y, ll p) { // O(1)快速乘(防爆long long)
return (x * y - (ull)((lb)x / p * y) * p + p) % p;
} inline ll ksm(ll x, ll y, ll p) { //快速幂
ll res = 1;
while (y) {
if (y & 1) res = ksc(res, x, p);
x = ksc(x, x, p);
y >>= 1;
}
return res;
} inline bool mr(ll x, ll p) {
if (ksm(x, p - 1, p) != 1) return 0; //费马小定理
ll y = p - 1, z;
while (!(y & 1)) { //一定要是能化成平方的形式
y >>= 1;
z = ksm(x, y, p); //计算
if (z != 1 && z != p - 1) return 0; //不是质数
if (z == p - 1) return 1; //一定要为1,才能继续二次探测
}
return 1;
} inline bool prime(ll x) {
if (x < 2) return 0;
if (x == 2 || x == 3 || x == 5 || x == 7 || x == 43) return 1;
return mr(2, x) && mr(3, x) && mr(5, x) && mr(7, x) && mr(43, x);
}

这样子加上二次探测之后,明显就能高效很多,基本上卡不了,大概要每 \(10^{10}\) 个数才会出现一个判不掉的,这个概率可以说十分微小,可以忽略!

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