루카스-레머 원시성 검정

Lucas–Lehmer primality test

수학에서는 루카스가-레머 테스트(LTT)는 메르센 수치에 대한 원시성 테스트다.이 테스트는 원래 에두아르 루카스에 의해 1876년에[1] 개발되었고 그 후 1930년대에 데릭 헨리 레머에 의해 개선되었다.

시험

더 루카스-레머 테스트는 다음과 같이 동작한다.Mp = 2p - 1을 p 이상 프라임으로 테스트할 메르센 번호로 설정한다.pM보다p 기하급수적으로 작기 때문에 p의 p의 primality를 trial division과 같은 간단한 알고리즘으로 효율적으로 확인할 수 있다.다음 기준의 모든 i에 대해 시퀀스{ } 을(를) 정의하십시오.

이 시퀀스의 처음 몇 개 항은 4, 14, 194, 37634, ...이다(OEIS에서 시퀀스 A003010).그렇다면 Mp 만약의 경우에 한해서만 프라임이다.

sp − 2 mod M이라는p 숫자는 루카스-라고 불린다.p.의 레머 잔여물(일부 저자는 s1 = 4를 동등하게 설정하고 s modp−1 Mp 시험한다).유사 코드에서는 테스트가 다음과 같이 기록될 수 있다.

// Mp = 2p - 1이 p > 2 Lucas–의 프라임인지 판단한다.Lehmer(p) var s = 4 var M = 2p - 1 p - 2회 반복: s = (s × s) - 2) mod M s = 0 = 0이면 PRIME합성값을 반환함

수행 중mod M각 반복에서 모든 중간 결과는 최대 p비트(비트의 수가 각 반복의 두 배가 됨)가 되도록 보장한다.모듈형 지수에 동일한 전략이 사용된다.

대체 시작 값

예를 들어, 10, 52 및 기타(OEIS에서 순서 A018844)와 같이 4 이외0 시작 값이 가능하다.Mp 메르센 프라임이라면 이러한 대체 출발 값으로 계산한 루카스-레머 잔여물은 여전히 0이 된다.그러나 시퀀스의 조건은 다를 것이며, 비프라임 Mp 대한 0이 아닌 루카스-레머 잔여물은 s0 = 4일 때 계산된 0이 아닌 값과 다른 숫자 값을 갖는다.

또한 일반적으로 2/3으로 짧게 나타내는 시작 값(2 mod Mp)(3 mod Mp)을 사용할 수도 있다.−1[2]이 시작 값은 (2p + 1) /3, 지수 p갖는 Wagstaff 번호와 같다.

4, 10, 2/3과 같은 시작 값은 범용적이며, 즉 모든(또는 거의 모든) p에 대해 유효하다.무한히 많은 추가 범용 시작 값이 있다.[2]그러나 일부 다른 시작 값은 가능한 모든 p의 하위 집합에만 유효하다. 예를 들어 s0 = 3은 p = 3(모드 4)일 경우 사용할 수 있다.[3]127 시작 값은 M 프라임을 증명하는 루카스를 포함해 손 계산의 시대에 적합한 곳에 자주 사용되었다.[4]수열의 처음 몇 개 항은 3, 7, 47, ...이다. (OEIS에서 순서 A001566).

penultimate 항의 기호

sp−2 = 0 mod M이면p penultimate 항은 s = ± 2 mod(p+1)/2 M이다p−3p.이 펜ultimate 용어의 부호를 Lehmer 기호 ϵ(s0, p)라고 한다.

2000년 S.Y. Gebre-Egziabher는 시작 값 2/3과 p ≠ 5에 대해 기호가 다음과 같음을 증명했다.

즉, ((2/3, p) = +1 iffp = 1 (mod 4)과 p ≠ 5이다.[2]

같은 저자는 또한 p가 2나 5가 아닐 때 시작 값 4와 10에 대한 Lehmer 기호가 다음과 관련이 있다는 것을 증명하였다.

즉, ϵ(4, p)× ϵ(10, p) = 1 iff p = 5 또는 7 (mod 8)과 p ≠ 2, 5이다.[2]

OEIS 시퀀스 A123271은 각 메르센 프라임 Mp 대해 ϵ(4, p)을 나타낸다.

시간 복잡성

위에 쓰여진 알고리즘에서는 각 반복 동안 두 개의 값비싼 연산이 있다: 곱하기.s × s, 그리고mod M작전mod M운영은 다음을 관찰함으로써 표준 이진 컴퓨터에서 특히 효율적으로 만들어질 수 있다.

이것은 k의 n 비트k의 나머지 비트가 k modulo 2-1과n 동등하다고 말한다.이 동등성은 최대 n비트가 남을 때까지 반복해서 사용할 수 있다.이렇게 하여 k를 메르센 번호 2-1로n 나눈 후의 나머지는 분할을 사용하지 않고 계산한다.예를 들어,

916모드 2-15 = 1110010100모드2 2-15
= (916 mod 25) + int(916 ÷ 25) mod 2-15
= (101002 + 111002) 모드 2-15
= 110000모드2 2-15
= (100002 + 12) 모드 2-15
= 10001모드2 2-15
= 100012
= 17.

더구나 그 이후로는s × s2 간단한 기술은2p M < 2를 절대 초과하지 않을 것이다. 이 기술은 선형 시간 내에 수행될 수 있는 최대 1 p-bit 추가(그리고 p번째 비트에서 첫 번째 비트로 이동)로 수렴된다.이 알고리즘은 아주 작은 예외적인 경우를 가지고 있다.0의 정확한 값이 아닌 계수의 배수에 대해 2-1을n 산출한다.그러나 이 경우는 탐지하고 고치기 쉽다.

계수를 벗어나면 알고리즘의 점증적 복잡성은 각 단계에서 제곱에 사용되는 곱셈 알고리즘에만 의존한다.곱셈을 위한 간단한 "등급 학교" 알고리즘은 p-비트 숫자를 제곱하기 위해 O(p2) 비트 레벨 또는 단어 레벨 연산을 요구한다.O(p) 횟수가 이렇게 되기 때문에 총 시간 복잡도는 O(p3)이다.보다 효율적인 곱셈 알고리즘은 고속 푸리에 변환에 기반한 Shönhage-Strassen 알고리즘이다.P비트 숫자를 제곱하기 위해서는 O(p log p log p) 시간만 필요하다.이것은 복잡성을 O(p log p log p) 또는 õ(p2)로2 감소시킨다.[5]훨씬 더 효율적인 곱셈 알고리즘인 총통의 알고리즘 ( pp\ p\시간만 있으면 2개의 p비트 숫자를 곱할 수 있다.

이에 비해 일반 정수에 대한 가장 효율적인 무작위 원시성 시험인 Miller-Rabin 원시성 시험은 N자리 숫자에 대한 FFT 곱셈을 사용한 O(k2 n log n log n) 비트 연산을 요구한다. 여기서 k는 반복 횟수이며 오류율과 관련이 있다.상수 k의 경우, 이것은 루카스-레머 테스트와 동일한 복잡도 등급에 있다.그러나 실제로 많은 반복 작업과 다른 차이점들을 수행하는 비용은 밀러-라빈에게 더 나쁜 성능으로 이어진다.임의의 n자리 숫자에 대한 가장 효율적인 결정론적 원시성 시험인 AKS 원시성 시험은 가장 잘 알려진 변종에서 ((n6) 비트 연산이 필요하며 상대적으로 작은 값에도 매우 느리다.

메르센 번호3 M = 2-13 = 7이 황금이다.더 루카스-레머 테스트는 이를 다음과 같이 검증한다.초기 s는 4로 설정되었다가 3-2 = 1회 업데이트된다.

  • s ← ((4 × 4) − 2) mod 7 = 0.

s의 최종 값이 0이기 때문에 결론은 M이3 prime이라는 것이다.

반면 M11 = 2047 = 23 × 89는 프라임이 아니다.다시, s는 4로 설정되었지만 이제 11-2 = 9번 업데이트된다.

  • s ← ((4 × 4) − 2) mod 2047 = 14
  • s ← (14 × 14) - 2) mod 2047 = 194
  • s ← ((194 × 194) − 2) mod 2047 = 788
  • s ← ((788 × 788) − 2) mod 2047 = 701
  • s ← (701 × 701) - 2) mod 2047 = 119
  • s ← ((119 × 119) − 2) mod 2047 = 1877
  • s ← ((1877 × 1877) − 2) mod 2047 = 240
  • s ← ((240 × 240) − 2) mod 2047 = 282
  • s ← ((282 × 282) − 2) mod 2047 = 1736

s의 최종 값이 0이 아니기 때문에 결론은 M11 = 2047이 prime이 아니라는 것이다.M11 = 2047은 비경쟁적 요인이 있지만 루카스-은레머 테스트는 그것들이 무엇일지에 대한 어떤 징후도 주지 않는다.

정확성 증명

여기에 제시된 이 테스트의 정확성 증명은 르메르가 제시한 원본 증명보다 간단하다.정의 불러오기

목표p if s - 0( p). 0

순서는 폐쇄형 솔루션과의 재발 관계.Let and . It then follows by induction that for all i:

그리고

마지막 단계는 = + )= 1우측을 사용한다 폐쇄형식은 충분성의 증명과 필요성의 증명에 모두 사용된다.

자급률

는 s - ( 이(가) M p {p 함축하고 있음을 보여주는 것이다.다음은 J. W. Bruce가[6] Jason Wojciechowski에 의해 관계된 초등 집단 이론을 악용한 직접적인 증거다.[7]

- ( p). (를) 가정해 보십시오.

일부 정수 k에 대해, 그래서

2 - 배 곱하기:

그러므로,

모순의 경우, Mp 복합적이라고 가정하고, qMp 가장 작은 주요 요인이 되도록 한다.메르센 수치는 홀수여서 q > 2 입니다.Informally,[note 1] let be the integers modulo q, and let Multiplication in is defined as

분명히, 이 곱셈은 닫혀 있다. 즉, X에서 나온 숫자의 산물은 그 자체로 X이다.X의 크기는 . X 로 표시된다.

q > 2 이후로는 이(가) X에 있는 것으로 이어진다.[note 2]The subset of elements in X with inverses forms a group, which is denoted by X* and has size One element in X that does not have an inverse is 0, so

0( ) X 그래서

X로, 그 다음 등식 (1)로,

X로, 그리고 양쪽을 쪼개는 것은

따라서 은(는) X*에 위치하며 . 게다가 {\}의 순서는 {\로 나뉜다. 그러나 2 - 1 1 따라서 순서는 2. 2

원소의 순서는 기껏해야 그룹의 순서(크기)가 되므로,

그러나 q는 복합 의 가장 작은 주 요인이다

이렇게 하면 모순이 < - 1 2 따라서 이(가) 프라임이다.

필요성

다른 방향에서는, {\의 원초성이 - M 을 함축하고 있음을 보여주는 것이 목적이다다음의 간단한 증거는 외스테인 J. 뢰데스에 의한 것이다.[8]

Since for odd , it follows from properties of the Legendre symbol that This means that 3 is a quadratic nonresidue modulo 오일러의 기준으로 볼 때, 이것은

In contrast, 2 is a quadratic residue modulo since and so This ti오일러의 기준은

이 두 동등성 관계의 산출물을 결합하는 것

Let , and define X as before as the ring 그리고 나서 링 X에서, 그것은 그 뒤를 따른다.

제1차 평등은 유한한 분야에서 이항 정리를 사용하는데, 이항 정리는 다음과 같다.

그리고 제2의 평등은 페르마의 작은 정리를 사용하는데, 그것은 다음과 같다.

모든 정수 a에 대해The value of was chosen so that Consequently, this can be used to compute in the ring X as

남은 것은 이 방정식의 양쪽 면에 M + {\}를 곱하는 것뿐이다.= 1}을를) 사용하십시오.

- X에서 0이므로 0 modulo 이기도 하다.

적용들

더 루카스-레머 테스트는 그레이트 인터넷 메르센 프라임 서치(GIMPS)가 대형 프리마임을 찾기 위해 사용하는 주요 프라이마리티 테스트 중 하나이다.이 검색은 현재까지 알려진 가장 큰 프리타임 중 많은 부분을 찾아내는 데 성공했다.[9]이 테스트는 아마도 많은 수의 매우 많은 수의 매우 많은 수의 원시성을 적절한 시간 내에 테스트할 수 있기 때문에 가치 있는 것으로 간주된다.이와는 대조적으로, 페르마 숫자에 대한 동등하게 빠른 Pépin의 테스트는 계산 한계에 도달하기 전에 훨씬 더 작은 수의 매우 큰 숫자 집합에만 사용할 수 있다.

참고 항목

메모들

  1. ^ Formally, let and .
  2. ^ 형식적으로 +T - 3 {\+\}- t -{\ T X에 있다. 의 오용에 의해, 에서 X로 자연적인 링 동형문하에서는 그들의 이미지와 함께 식별된다.

참조

  1. ^ Lehmer, Derrick (1927). "Tests for primality by the converse of Fermat's theorem". Bulletin of the American Mathematical Society. American Mathematical Society. 33 (3): 327.
  2. ^ a b c d Jansen, B.J.H. (2012). Mersenne primes and class field theory (Doctoral thesis). Leiden University. p. iii. Retrieved 2018-12-17.
  3. ^ Robinson, Raphael M. (1954). "Mersenne and Fermat numbers". Proc. Amer. Math. Soc. 5: 842–846. doi:10.1090/S0002-9939-1954-0064787-4.
  4. ^ Haworth, Guy (1990). Mersenne numbers (PDF) (Technical report). p. 20. Retrieved 2018-12-17.
  5. ^ Colquitt, W. N.; Welsh, L., Jr. (1991), "A New Mersenne Prime", Mathematics of Computation, 56 (194): 867–870, doi:10.2307/2008415, The use of the FFT speeds up the asymptotic time for the Lucas–Lehmer test for Mp from O(p3) to O(p2 log p log log p) bit operations.
  6. ^ Bruce, J. W. (1993). "A Really Trivial Proof of the Lucas–Lehmer Test". The American Mathematical Monthly. 100 (4): 370–371. doi:10.2307/2324959.
  7. ^ 제이슨 워시치쇼스키메르센 프라임즈, 소개와 개요.2003.
  8. ^ Rödseth, Öystein J. (1994). "A note on primality tests for N=h·2^n−1" (PDF). BIT Numerical Mathematics. 34 (3): 451–454. doi:10.1007/BF01935653. Archived from the original (PDF) on March 6, 2016.
  9. ^ "톱 텐" 레코드 프라임, 프라임 페이지

외부 링크