Chương 3

KIỂM TRA VÀ XÂY DỰNG SỐ NGUYÊN TỐ

Dựa vào tính chất đặc biệt của số nguyên tố, mà khi xây dựng một số bài toán với

việc áp dụng số nguyên tố, đặc biệt là ứng dụng số nguyên tố lớn, nó trở nên hữu ích cho

mục đích bài toán. Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu cách kiểm tra một số nguyên

tố cho trước và làm thế nào để xây dựng được số nguyên tố lớn.

3.1 Khái niệm về số nguyên tố

Số tự nhiên p, lớn hơn 1 gọi là số nguyên tố nếu như nó chia hết cho 1 và chính nó.

Định lý cơ bản của số học nói rằng, bất kỳ số tự nhiên n, lớn hơn 1 có thể phân tích thành

tích các số nguyên tố. Tức là một số tự nhiên có thể biểu diễn dưới dạng sau

,

ở đây - là các số nguyên tố khác nhau, .

Bài toán kiểm tra số nguyên tố và xây dựng số nguyên tố lớn có ứng dụng rất quan

trọng trong mã hóa. Trong phần này tác giả viết về các thuật toán khác nhau để giải quyết

những bài toán này

3.2 Kiểm tra số nguyên tố theo phương pháp thử

Cho . Kiểm tra xem n có phải là số nguyên tố hay không

Phương pháp thử chia

Nếu như n là hợp số, thì n=ab, với , điều kiên là . Cho nên đối với

chúng ta kiểm tra xem n có chia hết cho d hay không? Nếu như ước số của

n không tìm thấy, thì n là số nguyên tố, ngược lại thì n là hợp số, và ta có thể phân tích n

thành 2 thừa số. Độ phức tạp của phương pháp này là .

Sàng Eratosphen

Nếu như chúng ta muốn thiết lập bảng tất cả các số nguyên tố giữa các số 2,3,…,N,

thì đầu tiên cần gạch chân các số chia hết cho 2 ngọai trừ số 2. Sau đó ta lấy các số 3 và

gạch chân các số tiếp theo và chia hết cho 3. Sau đó chúng ta chọn số tiếp theo và không

gạch chân (có nghĩa là 5), và tiếp tục gạch chân các số chia hết cho 5, và tiếp tục như thế.

Và cuối cùng chúng ta có được dãy các số nguyên tố. Phương pháp này thì tốn nhiều bộ

nhớ, nhưng để thành lập bảng nguyên tố thì đây là cách hiệu quả nhất.

3.3 Kiểm tra tính nguyên tố của số có dạng đặc biệt

Chúng ta xem số n dạng , ở đây . Nếu m chia hết cho số nguyên tố ,

tức là , thì chia hết cho , có nghĩa là n là hợp số. Cho nên

số nguyên tố có thể chỉ khi .

Định nghĩa 3.1. Số gọi là số Fermat.

Hiện tại chúng ta biết được rằng là số nguyên tố, còn các số Fermat

tiếp theo là hợp số, còn các số tiếp theo thì chưa được kiểm tra.

Để kiểm tra tính nguyên tố của số Fermat chúng ta xem định lý sau

Định lý 3.1. Số khi k>0 là số nguyên tố khi và chỉ khi:

.

Chứng minh: Chúng ta chứng minh điều kiện đủ. Chúng ta có: . Từ

, nên , điều này có nghĩa là bậc của 3 (mod n) bằng

. Nên nhóm nhân có ít nhất là n-1 phần tử, và các phần tử khác không của Zn

khả nghịch, hay n là số nguyên tố.

Bây giờ ta chứng minh phần nghịch. Chú ý rằng . Bởi vậy n>3,

. Theo định luật bình phương (định lý Gausse) ta có

. Theo tiêu chuẩn Euler thì .

Kiểm tra theo định lý này độ phức tạp là , thế nhưng số Fermat tăng lên rất

nhanh, nên cách kiểm tra này trở nên không hiệu quả.

Bây giờ chúng ta xem số n dạng . Nếu m là hợp số, m=ab, , thì

chia hết cho . Cho nên số n là nguyên tố chi khi m là số nguyên tố.

Định nghĩa 3.2. Cho p là số nguyên tố, và cũng là số nguyên tố. Và số

gọi là số nguyên tố Mersenn.

Để kiểm tra tính nguyên tố của số Mersenn ta dùng định lý sau

Định lý 3.2. Cho q là số nguyên tố, q>2, . Chúng ta xem dãy

xác định dãy này như sau

; .

Số n là số nguyên tố khi và chỉ khi

Định lý 3.3 Cho p là số nguyên tố, , . Số Fermat là số

nguyên tố khi và chi khỉ

.

Chứng minh: Theo định lý nhỏ Fermat ta có , từ đây

. Dẫn đến , và dẫn đến

Cho nên

Định nghĩa 3.3 (dãy số Liuka). Cho dãy số và với

, còn các thành phần tiếp theo của dãy được tính theo công thức

truy hồi , được gọi là dãy số Liuka.

3.4 Phương pháp N 1 kiểm tra tính nguyên tố và xây dựng số nguyên tố lớn

Trong mục này chúng ta sẽ tìm hiểu một số phương pháp, mà với sự giúp đỡ của nó

chúng ta có thể kiểm tra tính nguyên tố của số tự nhiên N, khi biết được hoàn toàn hoặc

một phần của sự phân tích N ra thừa số. Và chúng ta cũng tìm hiểu một số phương pháp

tạo ra số nguyên tố lớn được áp dụng trong mật mã.

Đầu tiên chúng ta xem phương pháp N-1 kiểm tra số nguyên tố.

Định lý 3.4 Cho , n là số lẻ, - đã biết được sự phân chia thành

thừa số nguyên tố của n-1. Nếu như đối với mỗi tồn tại số , sao cho

, ,

thì n là số nguyên tố.

Chứng minh:

Cho là bậc của trong . Từ điều kiện chúng ta có , và không

là ước của , cho nên với i=1,…,k. Dẫn đến có bậc là trong

, còn phần tử có bậc là trong . Điều này có

nghĩa là là một trường, và n là số nguyên tố.

Từ định lý này chúng ta có thể kiểm tra được tính nguyên tố như sau. Phân tích n-1 ra

thừa số, chọn a=2,3,…, kiểm tra điều kiện định lý. Nếu như tìm thấy a nào đó, với

, mà , thì n là hợp số. Nếu như tìm được , mà thỏa mã điều kiện

định lý thì n là số nguyên tố.

Tương tự với việc kiểm tra số nguyên tố bằng phương pháp n-1, ta tìm hiểu phương

pháp n+1 khi biết hoàn toàn các nhân tử nguyên tố của n+1

Định lý 3.5. Cho , . Xác định dãy số Liuka và định

thức D bằng các biểu thức sau: điều kiện là . Cho n là

một số tự nhiên lẻ, n>1, - tức là phân tích n+1 ra thừa số nguyên tố, và

. Nếu như đối với từng , tìm được , sao cho có

quan hệ với dãy số Liuka thỏa mãn điều kiện:

và n không là ước của ,

thì n là số nguyên tố. Nếu như tồn tại dãy số Liuka như thế và D, sao cho không

chia hết cho n, thì n là hợp số.

Định lý 3.6 Cho , n>1, n là số lẻ, , với . Giả sử

chúng ta biết được hoan toàn sự phân tích ra thừa số nguyên tố . Nếu như đối

với mỗi j=1,…,k tìm được , sao cho

,

với điều kiện , thì số n là số nguyên tố.

Chứng minh: Giả sử p là ước số nguyên tố của n. Chúng ta chứng minh rằng , từ

đây dẫn đến n là số nguyên tố.

Từ điều kiện chúng ta có dẫn đến , từ đây

và bậc của phần tử trong không là ước của n-1. Ngoài ra

theo định lý nhỏ Fermat thì . Từ điều kiện của định lý ta có ,

từ đây . Dẫn đến , và . Nghĩa là .

Chúng ta sẽ chứng minh với sự giúp đỡ của định lý này có thể xây dựng được số

nguyên tố lớn. Chúng ta xây dựng dãy số nguyên tố cho đến khi xây dựng

được số nguyên tố đủ lớn chúng ta cần. Số nguyên tố chọn bất kỳ, ví dụ . Giả sử

chúng ta đã xây dựng được số nguyên tố . Chọn số ngẫu nhiên r, . Giả

sử: , t là số lẻ. Như thế số nguyên tố chúng ta chọn .

Đặt , . Rõ ràng rằng và chúng ta cũng có , bởi

vì . Dẫn đến để chứng tỏ n là số nguyên tố, chúng

ta cần tìm các số và , sao cho

, .

Nếu như ta tìm được số a, sao cho , thì n là hợp số và chúng ta cần chọn

số ngẫu nhiên r khác. Nếu như chúng ta chứng minh được n là nguyên tố thì đặt .

Một phương pháp khác xây dựng số nguyên tố ứng dụng định lý trên có thể nêu ra

dưới đây. Chúng ta lại xây dựng dãy số nguyên tố, và giả sử xây dựng . Chúng ta

chọn số chẵn ngẫu nhiên r, thỏa mãn , và đặt . Giả sử ,

, .Chúng ta cần tìm một số tự nhiên a sao cho

(bởi vì ). Rõ ràng ta có bất đẳng thức

, bởi vì

Chọn a và thực hiện tương tự như phương pháp xây dựng trên.

Định lý tiếp theo sẽ cho chúng ta cách xây dựng số nguyên tố hiệu quả hơn, bởi vì

không cần tính toán ước nguyên tố lớn.

Định lý 3.7 Cho , ở đây q là số nguyên tố lẻ, và r với . Nếu tồn tại

số , sao cho

, ,

thì n là số nguyên tố.

Chứng minh. Giả sử n là hợp số, , với p là số nguyên tố, . Bởi vì n không

là ước của , nên tồn tại số nguyên tố p sao cho và khi

chúng ta có và không là ước của .

Giả sử d là bậc của a (mod ) trong . Số d được xác định và d|n-1=2rq, bởi vì

. Ngoài ra ta có . Nhưng từ biểu thức

dẫn đến d không là ước của 2r. Nghĩa là q|d. Bởi vì . Số q và p khác nhau,

bởi vì p|n, q|n-1. Dẫn đến q|p-1. Từ đây , và do tính lẻ của p và q nên

. Ngoài ra . Bởi vì n=pN, nên . Bởi vì và

, nên . Nghĩa là . Thế nhưng

. Nhận được mâu thuẩn. Nên định lý được chứng minh.

Định lý 3.8 Cho , ở đây q là số nguyên tố, . Giả sử tồn tại ,

sao cho

, .

Thế thì n hoặc là số nguyên tố, hoặc , với - là số nguyên tố và

.

Chứng minh. Giả sử n là hợp số, , với p là số nguyên tố, . Chúng ta chứng

minh được rằng

.

Nếu như một trong hai số p và N lớn hơn nhiều so với , thì nó sẽ lớn hơn hoặc

bằng , và . Nhưng điều kiện

. Dẫn đến . Chứng minh phần còn lại

. Rõ ràng theo điều kiện và n=p2 nên chúng ta có , theo

định lý Euler thì , từ đây dẫn đến điều phải chứng minh.

Chú ý: Nếu biết được q thì kiểm tra đẳng thức rất dễ dàng. Có nghĩa là khi

biết được a, chúng ta sẽ biết được n là nguyên tố hay hợp số. Từ định lý kiểm tra tính

nguyên tố này chúng có thể xây dựng số nguyên tố lớn rất hiệu quả, bởi vì càng lớn giới

hạn trên của số ngẫu nhiên r thì càng đạt được việc xây dựng số nguyên tố như ý.

Các định lý 1.25 – 1.29 độ lớn phân chia số n-1 có bậc . Định lý sau độ lớn phân

chia số n-1 sẽ có bậc nhỏ hơn .

Định lý 3.9 Giả sử n là số lẻ, , ở đây , là số chẳn,

và ta biết được hoàn toàn sự phân chia ra thừa số nguyên tố. Giả sử đối với bất kỳ ước

nguyên tố q của tìm thấy được , sao cho

, .

Giả sử đối với từng , thì không là ước của n nếu

,

ở đây , , thì n là số nguyên tố khi và chỉ khi hoặc , hoặc

không là số chính phương.

3.5 Kiểm tra số nguyên tố bằng thuật toán Konigin-Pomerans

Nếu và biết được sự phân tích hoàn toàn hoặc một phần lớn ra thừa số nguyên

tố của số n-1, thì có thể để kiểm tra xem n là hợp số hay là số nguyên tố với độ phức tạp

theo đa thức. Đánh giá tốt nhất độ phức tạp nhận được từ thuật toán Konigin- Pomerans:

Định lý 3.10 Giả sử , n là số lẻ, . Lúc này việc kiểm tra tính

nguyên tố của n có thể có chi phí là .

Định lý 3.11 Giả sử , n là số lẻ, , ở đây , và

biết được sự phân chia ra thừa số nguyên tố. Nếu , với là số dương không

đổi, thì việc kiểm tra tính nguyên tố của n có thể chi phí là ( là số

nguyên dương không đổi, phụ thuộc vào ).

Bổ đề 3.1. Giả sử , và giả sử đối với từng ước nguyên tố q của

m thỏa mãn . Khi đó nếu p là số nguyên tố và , thì .

Chứng minh. Rõ ràng rằng m là bậc của trong . Giả sử p là số nguyên tố,

và ước của n, và giả sử k là bậc của a (mod p). Như thế k=m. Rõ ràng, k|m bởi vì từ

, dẫn đến . Nếu như k<m, thì tìm được

số nguyên tố q, q|m, sao cho k|(m/q). Từ đây ta có , có nghĩa là

. Điều này trái với giả thuyết của bổ đề.

Ngoài ra chúng ta còn có, theo định lý Fermat , dẫn đến m|p-1. Đây là

điều ta cần chứng minh.

Thuật toán kiểm tra tính nguyên tố của số.

I. Tầng 1. Chuẩn bị sẳn một bảng tất cả các số nguyên tố, không lớn hơn .

Đặt F(1):=1. Sau đó đối với từng số a=2,3,…, chúng ta thực hiện tầng 2

cho đến khi chúng ta không chứng minh được n là hợp số hay nguyên tố.

II. Tầng 2.

1. Bước 1. Nếu a là hợp số, thì và nhảy lên bước 6. Nếu a là số

nguyên tố, và , thì và nhảy đến bước 6. Ngược

lại chúng ta kiểm tra điều kiện sau, xem có thỏa mãn không:

.

Nếu như không, thì n là hợp số.

2. Bước 2. Khi phân tích n-1 ra thừa số nguyên tố, ta tìm bậc của a (mod n),

nghĩa là số tự nhiên nhỏ nhất E(a), thỏa mãn .

3. Bước 3. Kiểm tra điều kiện sau có thỏa mãn hay không:

, q là số nguyên tố.

Nếu như điều kiện trên không hòan thành thì n là hợp số.

4. Bước 4. , BCNN-bội số chung nhỏ nhất.

5. Bước 5. Nếu như , thì n là số nguyên tố.

6. Bước 6. Nếu như , thì quay về tầng 2 với a là giá trị tiếp theo. Nếu

như , thì n là hợp số.

Chúng ta chứng minh tính đúng đắn của thuật toán và nhận đánh giá về độ phức tạp của

thuật toán.

Bảng liệt kê số nguyên tố thực hiện trên tầng 1 nhờ sự giúp đỡ của sàng Eratosfen

với độ phức tạp .

Giá trị hiện tại của F(a) là ước số của n-1, cho nên bước 1 của tầng mất

lệnh.

Bước 2 của tầng tốn lệnh nhờ sự giúp đở của thuật toán hổ trợ sau

Thuật toán tìm bậc của phần tử

Cho đầu vào thuật toán , - tức là biết được sự phân tích ra thừa

số nguyên tố của số n-1. Đầu ra là bậc của a (mod n) trong .

Bước 1. .

Bước 2. .

Bước 3 (Chu trình). Đối với , kiểm tra xem điều kiên sau có thỏa mãn

không

.

Nếu như đúng thì nhảy sang bước 4. Ngược lại

, ;

Và chuyển đến giá trị tiếp theo của l trong chu trình.

Bước 4. Nếu như j<N, thì quay về bước 2, ngược lại thì đưa ra M.

Tính đúng đắn của thuật toán tìm bậc của phần tử thì quá rõ ràng. Để nhận được đánh

giá về độ phức tạp của thuật toán này ta chú y rằng

,

từ đây . Cho nên bên trong và bên ngoài chu trình

thực hiện bước, và trong từng bước thực hiện lệnh. Tổng độ phức tạp là

lệnh.

Trở lại thuật toán kiểm tra tính nguyên tố. Nếu như UCLN trong bước 3 của tầng 2

không bằng 1, thì n là hợp số. Rõ ràng rằng, theo định nghĩa E(a) không có một số nào từ

số chia hết cho n. Có nghĩa là gcd lớn hơn 1, một trong các số có với n

ước chung là d, 1<d<n. Độ phức tạp của bước 3 tầng 2 là lệnh.

Sau khi trải qua bước 4, hòan thành điều kiện sau: Đối với tất cả các số b, ,

.

Chúng ta chứng minh tính đúng đắn của bước 5. Chúng ta có

, và đối với bất kỳ số nguyên tố q, a|E(a),

.

Cũng như . Nếu như chúng ta chứng minh rằng, đối với mỗi số

nguyên tố p, p|n, thỏa mãn điều kiện , thì , từ đây dẫn

đến n là số nguyên tố. Chúng ta chứng minh đồng dư thức . Giả sử rằng

. Theo bổ đề thì chúng ta có , từ đây

BSCNN (F(a-1), (E(a)))

Bây giờ chúng ta chứng minh bước 6 của tầng 2. Giả sử rằng n là số nguyên tố,

, chúng ta dẫn đến điều mâu thuẫn. Theo cách xây dựng

, bởi vì . Đặt

.

, tất cả các ước nguyên tố b không lớn hơn a .

Dễ dàng thấy , dẫn đến .

Từ n là số nguyên tố, dẫn đến

Theo định lý phân bố số nguyên tố, nếu và thì ta có bất đẳng thức

.

Từ đây

,

bởi vì , dẫn đến . Vậy chúng ta đã dẫn đến mâu thuẫn.

3.6 Kiểm tra tính nguyên tố bằng thuật toán Millier

Cho - hàm số trên tập số tự nhiên, với f(n)<n. Tương tự Konhiagin-

Pomerans chúng ta xem thuật toán Millier (Các bạn tự kiểm tra tính đúng đắn và tìm độ

phức tạp thuật toán).

Đầu vào là số tự nhiên lẻ n, n>1.

Bước 1. Kiểm tra điều kiện sau có thỏa mãn hay không , với . Nếu

như thỏa mãn, thì n là hợp số, và thuật toán dừng.

Bước 2. Thuật hiên các bước nhỏ (i)-(iii) đối với tất cả

(i) Kiểm tra điều kiện a|n

(ii) Kiểm tra điều kiện

(iii) Kiểm tra xem có đúng hay không, với một số giá trị của k, ,

Nếu như một trong ba điều kiện (i)-(iii) thỏa mãn thì n là hợp số, và thuật toán dừng.

Bước 3. Nếu như chúng ta đi đến được bước này thì n là số nguyên tố.

Chú ý. Hàm là số k lớn nhất thỏa mãn .

3.7 Kiểm tra tính nguyên tố của số bằng phép kiểm tra xác suất.

Các phép kiểm tra tính nguyên tố hay dùng nhất là các thuật toán ngẫu nhiên. Giả sử

có một mệnh đề Q(p,a) nào đó đúng với mọi số nguyên tố p và một số tự nhiên a <= p.

Nếu n là một số tự nhiên lẻ và mệnh đề Q(n,a) đúng với một a<= n được lấy ngẫu nhiên,

khi đó a có khả năng là một số nguyên tố. Ta đưa ra một thuật toán, kết luận rằng n là số

nguyên tố. Nó là một thuật toán ngẫu nhiên hay thuật toán xác suất. Trong các thuật toán

loại này, dùng một kiểm tra ngẫu nhiên không bao giờ kết luận một số nguyên tố là hợp

số nhưng có thể kết luận một hợp số là số nguyên tố. Xác suất sai của phép kiểm tra có

thể giảm xuống nhờ việc chọn một dãy độc lập các số a; nếu với mỗi số a xác suất để

thuật toán kết luận một hợp số là số nguyên tố là nhỏ hơn một nửa thì sau k lần thử độc

lập, xác suất sai là nhỏ hơn 2−k, độ tin cậy của thuật toán sẽ tăng lên theo k.

Cấu trúc cơ bản của một phép kiểm tra ngẫu nhiên là:

(i) Chọn một số ngẫu nhiên a.

(ii) Kiểm tra một hệ thức nào đó giữa số a và số n đã cho. Nếu hệ thức sai thì chắc

chắn n là một hợp số (số a là "bằng chứng" chứng tỏ n là hợp số) và dừng thuật toán.

(iii) Lặp lại bước 1 cho đến khi đạt được số lần đã định hoặc gặp bước 2.

Sau một loạt lần kiểm tra, nếu không tìm được bằng chứng chứng tỏ n là hợp số thì ta

kết luận n là số nguyên tố.

Các phép kiểm tra tính nguyên tố ngẫu nhiên là: Phép kiểm tra tính nguyên tố của

Fermat (kiểm tra Fermat. Đây là phép thử heuristic; tuy nhiên ít người sử dung phép thử

này. Được sử dụng nhiều hơn là Kiểm tra Miller-Rabin và Kiểm tra Solovay-Strassen.

Với mói hợp số n, ít nhất 3/4 (với kiểm tra Miller-Rabin) hoặc 1/2 (Với kiểm tra

Solovay-Strassen) các số a là bằng chứng chứng tỏ n là hợp số).

Chúng ta đi tìm hiểu kỷ hai từng cách kiểm tra

3.7.1 Kiểm tra trên cơ sỡ định luật nhỏ của Fermat

Phương pháp này dựa trên định luật nhỏ của Fermat: Nếu như n là số nguyên tố thì

bất kỳ số thỏa mãn phương trình sau

(1)

Nếu như , thì

(2) .

Cho nên để kiểm tra tính nguyên tố của n, chúng ta chọn một số bất kỳ và kiểm

tra xem có thỏa mãn định lý của Fermat hay không? Nếu như định lý Fermat không thỏa

với một giá trị a nào đó thì n là hợp số. Nếu như định lý thỏa mãn, thì chúng ta cũng

không thể kết luận rằng n là số nguyên tố, bởi vì định lý chỉ đúng trong điều kiện cần. Vì

vẫn tồn tại n là hợp số, thì đối với bất kỳ số , thì ta vẫn có được đằng thức

, số này còn được gọi là số Carmichael.

Ví dụ, chúng ta xem số 561=3.11.17. Chúng ta chứng số này là số Carmichael. Đồng

dư thức sẽ tương đương với hệ , ,

. Nếu 3|a, thì . Nếu như 3 không là ước của a, thì

, từ đây ta có , hay . Tương tự kiểm tra đối với

hai số 11 và 17.

Như vậy việc kiểm số nguyên tố theo Fermat là có khuyết điểm.

Ta có thể nêu ra các bước kiểm tra tính nguyên tố như sau:

1. Chọn ngẫu nhiên a từ tập và kiểm tra điều kiện UCLN(a,n)=1

2. Nếu như điều kiện trên không thỏa mãn thì n là hợp số

3. Kiểm tra đẳng thức (2)

4. Nếu như đẳng thức (2) không thỏa mãn thì trả lời n là hợp số

5. Nếu như đẳng thức đúng thì trả lời là chưa biết, nhưng có thể kiểm tra lại một số

lần với các a khac nhau.

Giải thuật Fermat kiểm tra tính nguyên tố của số

Đầu vào: n: giá trị để kiểm tra tính nguyên tố; k: tham số tham gia vào quá trình kiểm

tra .

Đầu ra: hợp số nếu n là hợp số, nếu không nguyên tố xác suất

repeat k times:

lấy a ngẫu nhiên trong [1, n − 1]

if an − 1 mod n ≠ 1 then

return hợp số

return nguyên tố xác suất

Khi dùng thuật toán tính nhanh luỹ thừa theo mođun, thời gian thi hành của thuật toán

là O(k × log3n), ở đó k là số lần kiểm tra với mỗi số a ngãu nhiên, và n là giá trị ta muốn

kiểm tra. Và từ việc kiểm tra này dẫn ta đến phần sau.

Định nghĩa 3.4 Cho n>1 là số tự nhiên lẻ, , ở đây d là số lẻ. Số n gọi là số

giả nguyên tố chặc chẽ trong cơ sỡ a, , nếu như hoặc ,

hoặc , với .

Từ định nghĩa chúng ta có điều sau. Nếu n là số nguyên tố, thì , tức là

. Từ đây ta có . Nếu như , thì chúng ta

dừng, nếu như , thì chúng ta lại khai căn cho đến khi tìm được hay căn

đó đồng dư với -1.

Để kiểm tra tính nguyên tố của các số lẻ n, , ta dùng quá trình như sau:

Bước 1: Kiểm tra tính chặc chẽ giả nguyên tố của n trong cơ sỡ 2,3,5,7. Nếu n không

là chặc chẽ giả nguyên tố một trong các cơ sỡ đó thì n là hợp số.

Bước 2: Nếu n=3215031751, thì n là hợp số, ngược lại n là số nguyên tố.

Như vậy chúng ta thấy việc kiểm tra trên cơ sỡ tính chặc chẽ giả nguyên tố là hiệu

quả đối với việc tìm số hợp số, thế nhưng cách này cũng chỉ đúng trong một điều kiện

cần thiết. Trong một số kết quả chứng tỏ rằng, điều kiện cần và đủ để kiểm tra số nguyên

tố là .

3.7.2 Kiểm tra bằng Miller-Rabin

Kiểm tra Miller-Rabin là một thuật toán xác suất để kiểm tra tính nguyên tố .Nó được

đề xuất đầu tiên bởi Gary L. Miller như một thuật toán tất định, dựa trên giả thiết

Riemann tổng quát; Michael O. Rabin đã sửa chữa nó thành một thuật toán xác suất.

Khi sử dụng kiểm tra Miller-Rabin chúng ta căn cứ vào một mệnh đề Q(p,a)đúng với các

số nguyên tố p và mọi số tự nhiên và kiểm tra xem chúng có đúng với số n

muốn kiểm tra và một số được chọn ngẫu nhiên hay không? Nếu mệnh đề Q(n,a)

không đúng, tất yếu n không phải là số nguyên tố, còn nếu Q(n,a) đúng, số n có thể là số

nguyên tố với một xác suất nào đó. Khi tăng số lần thử, xác suất để n là số nguyên tố tăng

lên.

Bổ đề 3.2 Cho trường hữu hạn , trong đó p là số nguyên tố. Chắc chắn rằng 1 và -1

luôn là các căn bậc hai của 1 theo mođun p. Chúng là hai căn bậc hai duy nhất của 1.

Thật vậy, giả sử rằng x là một căn bậc hai của 1 theo mođun p. Khi đó:

Từ đó, x − 1 hoặc x + 1 là chia hết cho p.

Bây giờ giả sử p là một số nguyên tố lẻ, khi đó p - 1 là số chẵn và ta có thể viết p − 1

dưới dạng , trong đó s là một số tự nhiên lớn hơn hay bằng 1 và m là số lẻ - Điều

này nghĩa là ta rút hết các thừa số 2 khỏi p − 1. Lấy số a bất kỳ trong tập {1,2,..,p-1}. Xét

dãy số với k=0,1,2,...,s. Khi đó xk = (xk − 1)2, với k=1,2,...,s và .

Từ định lý Fermat nhỏ:

Hay

Hay

Do đó hoặc hoặc . Nếu ta dừng lại,

còn nếu ngược lại ta tiếp tục với xs − 2.

Sau một số hữu hạn bước ta có: hoặc ta có một chỉ số k, sao cho

, hoặc tới k=0 ta vẫn có .

Ta có mệnh đề Q(p,a) như sau: Nếu p là số nguyên tố lẻ và p - 1 = thì với mọi a:

0<a<p-1: hoặc , với mọi k=0,1,2,...,s hoặc tồn tai k: sao cho

.

Giải thuật kiểm tra Miller-Rabin

Đầu vào: Số tự nhiên lẻ n.

Đầu ra: FALSE nếu n là hợp số, nếu không TRUE

1. Phân tích n - 1 = trong đó và m là số tự nhiên lẻ

2. Chọn ngẫu nhiên số tự nhiên a {2,...,n-1}.

3. Đặt b = am(mod n)

4. Nếu thì trả về TRUE. Kết thúc.

5. Cho k chạy từ 0 đến s-1:

a. Nếu thì trả về TRUE. Kết thúc.

b. Thay b:=b2(mod n).

6. Trả lời FALSE. Kết thúc.

Chúng ta xem tính chặc chẻ của thuật giải trên. Bây giờ chúng ta xem, nếu như thuật

toán trả lời FALSE mà trong khi đó n là số nguyên tố. Vì n là hợp số nên ta có

. Bây giờ xét dãy các giá trị b được kiểm tra trong bước 2 của thuật toán. Vì

b được bình phương qua bước 5, nên ta kiểm tra các giá trị . Vì kết quả

thuật giải là FALSE nên ta cũng có:

Với

Theo định lý Fermat ta có

Khi đó là căn bậc 2 của 1 modulo n, theo bổ đề ta có hoặc hoặc

. Mà theo giả thuyết chứng minh ta có , nên

. Và ta có là căn bậc 2 của 1. Bằng cách tương tự:

Và lặp lại lập luận trên, cuối cùng ta có

Điều này là mâu thuẫn.

Xác suất trả lời sai:

Định lý 3.12: nếu n là hợp số dương lẻ thì trong các số a {2,..,n-1} tồn tại không quá

cơ sở a để n là số giả nguyên tố mạnh Fermat.

Gọi A là biến cố "Số n là hợp số". B là biến cố "Kiểm tra Miller-Rabin trả lời n là số

nguyên tố". Khi đó xác suất sai của kiểm tra này là xác suất để số n là hợp số trong khi

thuật toán cho câu trả lời TRUE, nghĩa là xác suất điều kiện P(A|B).

Theo định lý trên nếu n là hợp số thì khả năng kiểm tra này trả lời TRUE xảy ra với

xác suất không vượt quá , nghĩa là P(B|A) . Tuy nhiên để tính xác suất sai của kiểm

tra Miller-Rbin cần tính xác suất diều kiện P(A|B). Dựa trên định lý về ước lượng số các

số nguyên tố ta đưa ra ước lượng

Theo định lý Bayes trong lý thuyết xác suất ta có công thức để tính xác suất sai của

kiểm tra Miller-Rabin là:

Trong công thức này P(A) đã biết ở trên, P(B|A) , còn vì khi n là số

nguyên tố thì chắc chắn mệnh đề Q(n,a) là đúng và . Từ đây ta có

Kiểm tra Miller-Rabin lặp:

Theo công thức tính xác suất sai trên đây, với n lớn (cỡ 130 chữ số thập phân), nếu

thực hiện phép thử Miller-Rabin chỉ một lần, xác suất sai là khá lớn, tới trên 90%. Để

giảm xác suất sai, ta lặp lại phép thử k lần với k số ngẫu nhiên a khác nhau, nếu n vượt

qua 50 lần thử thì P(B|A) , khi thay vào công thức với 50 lần thử nếu cả 50 lần, phép

thử đều "dương tính" thì xác suất sai giảm xưống chỉ còn là một số rất nhỏ không vượt

quá .

3.7.3 Kiểm tra bằng Solovay-Strasen

Xem tiêu chuẩn Euler là mệnh đề Q(p,a). Khi đó Q(p,a) đúng với mọi số nguyên tố p

và mọi số tự nhiên a, . Thay số nguyên tố p bằng số lẻ n ta định nghĩa: Hợp số n

được gọi là số giả nguyên tố Euler cơ sở a( ) nếu:

.

Định lý 3.13 Nếu n là hợp số lẻ thì tồn tại không quá số tự nhiên dương a nhỏ hơn

n, nguyên tố cùng nhau với n sao cho n là số giả nguyên tố Euler cơ sở a.

Chứng minh:

Chúng ta đi chứng minh tồn tại số , mà và . Giả

sử - tức là phân tích n ra thừa số nguyên tố.

Nếu n chia hết cho số bình phương số nguyên tố, thì tìm được , ,

sao cho , từ đây . Rõ ràng rằng, tồn tại . Theo định

lý về phần dư trung hoa, có thể tìm được , - là căn nguyên thủy trong

, còn khi . Nếu như , thì , từ đây

, điều này là không thể bởi vì n-1 không chia hết cho .

Bây giờ giả sử rằng . Chúng ta tìm số , sao cho -là căn

nguyên thủy trong , và khi j>1. Khi đó và

Đồng dư thức tương đương với , với j=1,…,k. Bởi

vì thì , là không thể.

Như vậy số b tồn tại. Chúng ta xem 2 tập hợp :

,

,

Nếu như , thì , bởi vì . Cho nên đối với số

, thặng dư không âm nhỏ nhất của thuộc . Dẫn đến , , từ

đây rút ra điều khẳng định của định lý.

Giải thuật kiểm tra Solovay-Strasen

Đầu vào: n: là số tự nhiên lẻ

Đầu ra: FALSE nếu n là hợp số, nếu không TRUE

1. Chọn a ngẫu nhiên trong khoảng[1,n-1]

2. Tính ký hiệu Jacobi J=

3. Tính x =a(n − 1) / 2(mod n)

4. Nếu J ≠ x thì trả về FALSE nếu khác trả về TRUE.

Gọi A là biến cố "Số nguyên lẻ n là hợp số"; B là biến cố: "Thuật toán Solova-

Strassen trả lời TRUE". Xác suất điều kiện P(B|A) .

Tương tự phép thử Miller-Rabin tính được xác suất sai của phép thử Solova-Strasen là

.

.

3.8 Kiểm tra tính nguyên tố của số bằng thuật toán đa thức

Định lý 3.14 Cho p là số lẻ, , . Số p là số nguyên tố khi và chỉ khi

(3.3)

(đồng dư thức 3.3 nghĩa là hệ số của đa thức so sánh với modulo p)

Chứng minh: Rõ ràng ta có

(3.4)

Nếu như p là số nguyên tố, thì biểu thức (1.3) dẫn đến từ (1.4), bởi vì khi

số chia hết cho p.

Giả sử biểu thức (3.3) thỏa mãn, và giả sử p là hợp số. Chúng ta sẽ tìm được số

nguyên tố q và số tự nhiên k sao cho , điều kiện . Rõ ràng rằng không chia

hết cho , và cho nên hệ số trong (3.4) không chia hết cho p, như thế mâu thuẫn

với sự thỏa mãn của biểu thức (3.3). Định lý đã được chứng minh.

Chúng ta ký hiệu P(m) là ước số nguyên tố lớn nhất của số tự nhiên m.

Bổ đề 3.3 Cho p và r là 2 số nguyên tố khác nhau. Khi đó

1) Đối với từng , nhóm G(p ,*) là nhóm cyclic

2) Đối với từng đa thức đẳng thức sau đây đúng

.

3) Nếu như , thì

.

4)Nếu như bậc của p (mod r), thì trong đa thức

được phân chia ra các đa thức bất khả quy, mà mỗi trong chúng nó có mũ là

.

Bổ đề 3.4 Tồn tại hằng số dương và số tự nhiên sao cho đối với các số bất

đẳng thức sau đúng

.

Bổ đề 3.5 Với mọi số , chúng ta có bất đẳng thức sau

,

ở đây là một số nguyên tố , mà .

Thuật toán kiểm tra tính nguyên tố của số tự nhiên lẻ n>1

Bước 1. Nếu như n có dạng , ở đây , thì thông báo, n là hợp số và

thuật toán kết thúc.

Bước 2. r:=2

Bước 3. Đối với giá trị hiện tại của r thực hiện bước 4-8

Bước 4. Nếu như r<n và UCLN(r,n)>1, thì n là hợp số, thuật toán kết thúc.

Bước 5. Nếu r là số nguyên tố, thì hoàn thành các bước 6-7, ngược lại thì chuyển

đến bước 8

Bước 6. Tìm số q – là ước số nguyên tố lớn nhất của r-1

Bước 7. Nếu và , chuyển đến bước 9 với giá trị r đã

cho

Bước 8. r:=r+1. Nếu như , thì thông báo n là số nguyên tố, và thuật toán kết

thúc. Ngược lại thì lặp lại bước 3.

Bước 9.

1) Nếu như , thì đối với tất cả các số a từ khoảng thì

kiểm tra điều kiện .

2) Nếu như , thì đối với tất cả a từ đoạn kiểm

tra biểu thức

trong . Nếu như đối với một số giá trị a trong trường hợp 1 hoàn thành bất

đẳng thức UCLN(a,n)>1, hoặc trong trường hợp 2 đẳng thức theo modulo không

đúng thì n là hợp số và thuật toán dừng.

Bước 10. Nếu như chúng ta đi đên bước này thì n là số nguyên tố.

Kết thúc thuật toán

.