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整数分解

2018-07-27 10:11:23     所属分类:计算机科学中未解决的问题

在数学中,整数分解英语:integer factorization)又称素因数分解prime factorization),是将一个正整数写成几个约数的乘积。例如,给出45这个数,它可以分解成32 ×5。根据算术基本定理,这样的分解结果应该是独一无二的。这个问题在代数学、密码学、计算复杂性理论和量子计算机等领域中有重要意义。

目录

  • 1 因子分解
  • 2 实际应用
  • 3 当今的新进展
    • 3.1 难度与复杂度
  • 4 整数分解算法
    • 4.1 特殊用途算法
    • 4.2 一般用途算法
    • 4.3 其他算法
  • 5 参见

因子分解

完整的因子列表可以根据约数分解推导出,将幂从零不断增加直到等于这个数。例如,因为45= 32×51,45可以被30 ×50,30×51,31×50,31×51,32×50,和32×51,或者 1,5,3,9,15,和 45整除。相对应的,约数分解只包括约数因子。参见约数分解算法。

实际应用

给出两个大约数,很容易就能将它们两个相乘。但是,给出它们的乘积,找出它们的因子就显得不是那么容易了。这就是许多现代密码系统的关键所在。如果能够找到解决整数分解问题的快速方法,几个重要的密码系统将会被攻破,包括RSA公钥算法和Blum Blum Shub英语Blum Blum Shub随机数发生器。

尽管快速分解是攻破这些系统的方法之一,仍然会有其它的不涉及到分解的其它方法。所以情形完全可能变成这样:整数分解问题仍然是非常困难,这些密码系统却是能够很快攻破。有的密码系统则能提供更强的保证:如果这些密码系统被快速破解(即能够以多项式时间复杂度破解),则可以利用破解这些系统的算法来快速地(以多项式时间复杂度)分解整数。换句话说,破解这样的密码系统不会比整数分解更容易。这样的密码系统包括Rabin密码系统(RSA的一个变体)以及Blum Blum Shub随机数发生器。

当今的新进展

2005年,作为公共研究一部分的有663个二进制数位之长的RSA-200已经被一种一般用途的方法所分解。

如果一个大的,有n个二进制数位长度的数是两个差不多大小相等的约数的乘积,现在还没有很好的算法来以多项式时间复杂度分解它。

这就意味着没有已知算法可以在O(nk)(k为常数)的时间内分解它。但是现在的算法也是比Θ(en)快的。换句话说,现在我们已知最好的算法比指数数量级时间要快,比多项式数量级时间要慢。已知最好的渐近线运行时间是普通数域筛选法(GNFS)。时间是:

对于平常的计算机,GNFS是我们已知最好的对付n个二进制数位大约数的方法。不过,对于量子计算机, 彼得·秀尔在1994年发现了一种可以用多项式时间来解决这个问题的算法。如果大的量子计算机建立起来,这将对密码学有很重要的意义。这个算法在时间上只需要O(n3),空间只要O(n)就可以了。 构造出这样一个算法只需要2n量子位。2001年,第一个7量子位的量子计算机第一个运行这个算法,它分解的数是15。

难度与复杂度

现在还不确切知道整数分解属于哪个复杂度类。

我们知道这个问题的判定问题形式(“请问N是否有一个比M小的约数?”)是在NP与反NP之中。因为不管是答案为是或不是,我们都可以用一个素因数以及该素因数的素数证明来验证这个答案。由秀尔算法可知,这个问题在BQP中。大部分的人则怀疑这个问题不在P、NP完全、以及反NP完全这三个复杂性类别中。如果这个问题可以被证明为NP完全或反NP完全,则我们便可推得NP=反NP。这将会是个很震憾的结果,也因此大多数人猜想整数分解这个问题不在上述的复杂性类别中。也有许多人尝试去找出多项式时间的算法来解决这个问题,但是都尚未成功,因此这个问题也被多数人怀疑不在P中。

有趣的是,判定一个整数是否是素数则比分解该整数简单许多。AKS算法证明前者可以在多项式时间中解决。 测试一个数是否为素数是RSA算法中非常重要的一环,因为它在一开始的时候需要找很大的素数。

整数分解算法

特殊用途算法

一个特别的因子分解算法的运行时间依赖它本身的未知因子:大小,类型等等。在不同的算法之间运行时间也是不同的。

  • 试除法
  • 车轮分解英语Wheel factorization
  • 波拉德RHO算法英语Pollard's rho algorithm
  • 代数群因式分解算法英语Algebraic-group factorisation algorithms,其中包括Pollard's p − 1算法英语Pollard's p − 1 algorithmWilliams' p + 1算法英语Williams' p + 1 algorithmLenstra椭圆曲线分解法英语Lenstra elliptic curve factorization
  • 费马素数判定法
  • 欧拉因式分解法英语Euler's factorization method
  • 特殊数域筛选法英语Special number field sieve

一般用途算法

一般用途算法的运行时间仅仅依赖要分解的整数的长度。这种算法可以用来分解RSA数。大部分一般用途算法基于平方同余方法。

  • Dixon算法英语Dixon's algorithm
  • 连分数分解法英语Continued fraction factorization(CFRAC)
  • 二次筛选法英语Quadratic sieve
  • 理性筛选法英语Rational sieve
  • 普通数域筛选法
  • Shanks' square forms factorization英语Shanks' square forms factorization(SQUFOF)

其他算法

  • 秀尔算法

参见

  • 素因数表
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