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C++如何进行大整数的素因子分解?(试除法与Pollard Rho)

冰火之心

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发布时间:2026-02-25 10:47:42

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来源于php中文网

原创

试除法适合n≤10¹²的大整数;超过该规模因最坏需√n次循环而不可接受,且须边试除边更新n、正确处理剩余大质数。

c++如何进行大整数的素因子分解?(试除法与pollard rho)

试除法适合什么规模的大整数?

试除法只适用于 n 在 1012 以内的情况——超过这个量级,最坏要跑 √n 次循环,实际已不可接受。它本质是暴力:从 2 枚举到 √n,遇到能整除的就记为因子,再持续除尽该因子。

常见错误现象:n 是大质数(比如 1012+39),试除完 √n 后漏掉它本身;或者没处理重复因子,导致同一个质因子只记录一次但没除干净。

  • 必须边试除边更新 n,每次找到因子 d 就循环 n /= d 直到不能整除
  • 枚举上限用 (long long)sqrt(n) + 1,但注意浮点误差,更稳妥是写成 d * d
  • 循环结束后若 n > 1,说明剩余的 n 就是最后一个质因子(且必然为质数)

Pollard Rho 怎么避免无限循环和错误返回?

Pollard Rho 是对付 1012~1018 级合数的主力,但它不是确定性算法:单次运行可能失败、卡死或返回非真因子(比如 1 或原数)。核心靠随机化 + Floyd 判圈,但实现细节极易翻车。

典型坑:__gcd(abs(x - y), n) 返回 1 或 n 时没重试,直接当作因子用了;或者用 rand() 而没设 srand(time(0)),导致每次跑都一样,失败后永远失败。

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  • 必须在外层加重试循环,每次换不同初始值 x0 和函数参数 c(比如从 1 开始递增)
  • 内部 Floyd 循环中,每若干步(如 128 次迭代)就计算一次 g = __gcd(abs(x - y), n),若 g == 1 继续,若 g == n 说明本轮失败,跳出重来
  • 使用 mt19937 替代 rand(),避免低质量随机数拖慢收敛

如何把试除法和 Pollard Rho 串成完整分解流程?

没人单独用 Pollard Rho 处理所有情况——它对小因子效率反而不如试除,还可能把 4 分解成 2×2 再卡住。实用策略是分层:先快速筛掉小因子,再用 Pollard Rho 攻坚剩余大合数。

使用场景:输入 n 可能含多个数量级差异极大的因子(例如 n = 2^10 * 1000000007 * 982451653999),需稳定输出全部质因子(可重复)。

  • 先用试除法处理所有 ≤ 10⁶ 的因子(预筛质数不必要,直接枚举 2 和奇数即可)
  • 试除后若剩余 n == 1,结束;若 n 是质数(可用 Miller-Rabin 快速判断),直接加入结果
  • 否则调用 Pollard Rho 分解该剩余部分,递归处理两个返回因子(注意:Rho 返回的不一定是质数,得继续分解)
  • Miller-Rabin 必须写对:底数选 {2, 325, 9375, 28178, 450775, 9780504, 1795265022} 可覆盖 64 位整数

为什么 64 位整数乘法容易溢出,怎么安全算 (a * b) % n

Pollard Rho 里频繁出现 (x * x + c) % n,当 x 接近 10⁹ 时,x * x 就超 long long(约 9×10¹⁸),直接乘会溢出变负,再取模毫无意义。这不是“性能问题”,是正确性红线。

错误写法:(a % n) * (b % n) % n —— 中间乘积仍溢出;正确做法是模拟竖式乘法或用内置扩展指令。

  • 手写 mul_mod(a, b, n):用 __int128(GCC 支持)最简,return (__int128)a * b % n
  • __int128 时用倍增法(类似快速幂):把 b 拆成二进制,每次累加 a * 2^k mod n,用加法代替乘法
  • 切勿在 mul_mod 里漏判 n == 0 或传入负数——Pollard Rho 中 n 永远 ≥ 2,但调试时可能传错

真正麻烦的从来不是算法逻辑,而是 mul_mod 写错、Miller-Rabin 底数漏掉、或者递归没设终止条件导致栈溢出——这些地方一错,整个分解就静默失效。

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