Miller-Rabin素数测试

#1287 : 数论一·Miller-Rabin质数测试

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描述

小Hi和小Ho最近突然对密码学产生了兴趣，其中有个叫RSA的公钥密码算法。RSA算法的计算过程中，需要找一些很大的质数。

小Ho：要如何来找出足够大的质数呢？

小Hi：我倒是有一个想法，我们可以先随机一个特别大的初始奇数，然后检查它是不是质数，如果不是就找比它大2的数，一直重复，直到找到一个质数为止。

小Ho：这样好像可行，那我就这么办吧。

过了一会儿，小Ho拿来了一张写满数字的纸条。

小Ho：我用程序随机生成了一些初始数字，但是要求解它们是不是质数太花时间了。

小Hi：你是怎么做的啊？

说着小Hi接过了小Ho的纸条。

小Ho：比如说我要检测数字n是不是质数吧，我就从2开始枚举，一直到sqrt(n)，看能否被n整除。

小Hi：那就对了。你看纸条上很多数字都是在15、16位左右，就算开方之后，也有7、8位的数字。对于这样大一个数字的循环，显然会很花费时间。

小Ho：那有什么更快速的方法么？

小Hi：当然有了，有一种叫做Miller-Rabin质数测试的算法，可以很快的判定一个大数是否是质数。

提示：Miller-Rabin质数测试

输入

第1行：1个正整数t，表示数字的个数，10≤t≤50

第2..t+1行：每行1个正整数，第i+1行表示正整数a[i]，2≤a[i]≤10^18

输出

第1..t行：每行1个字符串，若a[i]为质数，第i行输出"Yes"，否则输出"No"

样例输入

样例输出

Yes
Yes
No


费马小定理：对于质数p和任意整数a(a<p)，有a^p ≡ a(mod p)(同余)。反之，若满足a^p ≡ a(mod p)，p也有很大概率为质数。
将两边同时约去一个a，则有a^(p-1) ≡ 1(mod p);
因此，可以用这个定理来测试。任选一个小于p的正整数，检查a^(p-1) mod p是否等于1，若不等于，则100%不是素数。若只测一次，有1/4的错误率，因此，多拿几个a测试，便可大大提高正确性，该测试被称为Fermat测试。
但是：Fermat测试不一定是准确的，有可能出现把合数误判为质数的情况。

Miller和Rabin在Fermat测试上，建立了Miller-Rabin质数测试算法。

与Fermat测试相比，增加了一个二次探测定理：如果p是奇素数，则 x^2 ≡ 1(mod p)的解为 x ≡ 1 或 x ≡ p - 1(mod p)。

即，若一个小于p的正整数x，满足x^2≡1mod(p) ,则解一定是x==1或x==p-1,若满足先前的条件，但解却不是这个，则说明这个肯定不是素数，（至于为什么，我也不知道）。举个栗子。假设n=341，我们选取的a=2。则第一次测试时，2^340 mod 341=1。由于340是偶数，因此我们检查2^170，得到2^170 mod 341=1，满足二次探测定理。同时由于170还是偶数，因此我们进一步检查2^85 mod 341=32。此时不满足二次探测定理，因此可以判定341不为质数。

于是，遍得到了一下算法：

 for(int i=0;i<5;i++) {
    ll np=n;
    ll a=ss[i];
    if(a>=n) break;
    if(calmod(a,n-1,n)!=1) return 0;
    np--;
    while(np%2==0) {
        np>>=1;
        ll y=calmod(a,np,n);
        if(mutiply(y,y,n)==1&&y!=1&&y!=n-1) return 0;//  同时满足,x^2 mod p ==1,且y==1||y==n-1,若不满足后面，则克判断非素数！！
        }
    }

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另外，快速幂里面相乘需要用到快速加（原理与快速幂一样），防止抱longlong；

 1 #define ll long long
 2 #include<algorithm>
 3 #include<iostream>
 4 #include<iomanip>
 5 #include<cstring>
 6 #include<cstdlib> 
 7 #include<cstdio>
 8 #include<queue>
 9 #include<ctime>
10 #include<cmath>
11 #include<stack>
12 #include<map>
13 #include<set>
14 using namespace std;
15 ll ss[5]={2,3,5,7,11};
16 ll mutiply(ll a,ll b,ll mod) {
17     ll res=0;
18     while(b){
19     if(b&1) res=(res+a)%mod;
20     b>>=1;
21     a=a*2%mod;
22     }
23     return res%mod;
24 }
25 ll calmod(ll a,ll n,ll mod) {
26     ll res=1;
27     while(n) {
28     if(n&1) res=mutiply(res,a,mod);
29     n>>=1;
30     a=mutiply(a,a,mod);
31     }
32     return res%mod;
33 }
34 bool MRtest(ll n) {
35     if(n==2) return 1;
36     for(int i=0;i<5;i++) {
37     ll np=n;
38     ll a=ss[i];
39     if(a>=n) break;
40     if(calmod(a,n-1,n)!=1) return 0;
41     np--;
42     while(np%2==0) {
43         np>>=1;
44         ll y=calmod(a,np,n);
45         if(mutiply(y,y,n)==1&&y!=1&&y!=n-1) return 0;//  同时满足,x^2 mod p ==1,且y==1||y==n-1,若不满足后面，则克判断非素数！！
46         }
47     }
48     return 1;
49 }
50 int main() {//  please remember :infer other things from one fact
51     freopen("Miller-Rabin.in","r",stdin);
52     freopen("Miller-Rabin.out","w",stdout);
53     int t;scanf("%d",&t);
54     while(t--) {
55     ll n;
56     scanf("%lld",&n);
57     if(MRtest(n)) puts("Yes");
58     else puts("No");
59     }
60     return 0;
61 }

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