Przejrzałem wręcz, co się dzieje, gdy najpierw szukamy postaci kanonicznej podstawy systemu, a z jego pomocą rozkładu liczby.
Założenia:
- pamiętać jak najmniej; wymagana jest jednak znajomość wszystkich liczb pierwszych mniejszych niż pierwiastek czwartego stopnia z liczby rozkładanej n. Wystarczy zapamiętać parę, na którą składają się dzielnik i jego odpowiednia wielokrotność;
- każda liczba pierwsza jest testowana dokładnie raz.
Drugi z warunków w pierwszej wersji sugerował zapamiętanie dodatkowych przedziałów, ale bliższe obserwacje wskazały, że nie są one potrzebne. Są niezbędne z kolei, kiedy chcemy sprawdzić dzielnik jak nakszybciej, zaraz przy jego pierwszym pojawieniu się, nie czekając na odpowiednią wartość.
Jeśli poczekamy, liczby pierwsze będą się spokojnie ujawniać wielokrotnie, a będziemy badać tylko występujące przy potęgach dwójki.
Znowu mamy dwa kierunki przeglądu zupełnego. Od pierwiastka kwadratowego z liczby rozkładanej n do połowy tej liczby, lub na odwrót.
Przy pierwiastku kwadratowym niezmiennik
n = (a+b)*a + c
ma wartości a=sqrt n; b równe 0, 1 albo 2; c jest na moduł ograniczane przez a. Zmiana a o 1 powoduje w tym zakresie zmianę b o 2,
np. 8934053 = (2988+2)*2988-67.
Przy połowie pierwiastka kwadratowego c dalej jest ograniczone na moduł przez a, a = 1/2 sqrt n, zaś b jest bliskie 3/2 sqrt n. Zmianie a o 1 tutaj towarzyszy zmiana b o 4:
np. 8934053 = (1494+4486)*1494-67.
Modyfikacje są na tyle małe, że robimy mały błąd nadając zazwyczaj a~3*b dla szacunku c jak najbliższego zeru. Potem korekta postaci: b+1 oznacza c-a.
Pierwiastek czwartego stopnia z 8934053 to 54. Czyli do rozkładu potrzebujemy zapamiętywać wielokrotności następujących liczb pierwszych: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31 37, 41, 43, 47, 53. Warto mieć je posortowane po wartościach, wystarczy jedna wartość na jedną liczbę pierwszą jak najbliżej pobieranej do testu.
Zaczynając od pierwiastka kwadratowego, zapisujemy (2988; 2), (2988; 3), co można złączyć w (2988; 2, 3); (2985; 5), (2982; 7), itd.
Wbrew początkowym oczekiwaniom, nie musimy znać rozkładu kanonicznego, nawet tej jego części korzystajacej z wymienionych liczb pierwszych. Wystarczy nam liczba oraz jej dzielniki.
Algorytm:
1. k = 1+sqrt n ;
2. pętla, bierzemy wartość o 1 mniejszą (k--);
3. jeśli liczba nie jest zapamiętana, sprawdzamy ją pod kątem pierwszości
jeśli liczba jest zapamiętana, sprawdzamy, czy ma dzielnik większy od 2, jeśli nie, sprawdzamy liczbę pod kątem pierwszości;
4. liczba złożona (k, p) wskazuje, że liczba (k-p, p) też jest złożona, zapamiętujemy ją (dla każdej czynnika pierwszego p), przy czym, jeśli dana wartość k-p już jest zapamiętana, tylko dopisujemy doń kolejny dzielnik;
5. jeśli k<1/2 sqrt n, liczba jest pierwsza; w przeciwnym przypadku wracamy do 2;
Sprawdzenie pod kątem pierwszości, trafiają tu liczby pierwsze oraz postaci k=2^i*p, gdzie p jest pierwsza.
Obliczamy wartość c niezmiennika n=(k+b)*k+c, oraz sprawdzamy |c|%p. Podzielność oznacza znalezienie dzielnika p|n (bo p|k). Dla większości wartości sprowadza się do porównania takiego jak 157<881. Rzadko kiedy trzeba dzielić modulo. Oczywiście wtedy należy zakończyć algorytm.
Dlaczego to działa.
Potęgi dwójki dzielą nam przedział (1, sqrt n) na rozłączne przedziały
(2^{-i}*n, 2^{1-i}*n);
każda liczba pierwsza trafia do dokładnie jednego z nich.
Jeśli dopuścimy inne liczby pierwsze lub rozkład kanoniczny, zakresy przedziałów będą często miały części wspólne. Owszem, początkowo szybko będziemy sprawdzać i eliminować liczby pierwsze, korzystając z dzieleń. Choć wtedy część liczb będzie sprawdzanych wielokrotnie, o ile ich nie zapamiętamy. I tak musimy przejrzeć cały przedział. W dotatku mamy nadmiarowe dzielenia przy szukaniu liczb pierwszych większych niż zapamiętane, gdyż nie znamy wykladników potęg tych liczb pierwszych w rozkładach.
01 stycznia 2020
Faktoryzacja z podstawy systemu
Wspomniałem 18 grudnia o nowym pomyśle na faktoryzację, związanym z przedstawianiem podstawy systemu w postaci kanonicznej.
Pomysł jest tak specyficzny, że działa także dla normalnych liczb, choć potrzeba pamiętania ogromnych wartości z ich dzielnikami powoduje, że sposób jest nieopłacalny, i nikt o nim nie wspomina.
Podobnie jest i teraz, choć wymagam tylko znajomości tablicy liczb pierwszych nie przekraczajacych pierwiastka czwartego stopnia z rozkładanej liczby. Nie mamy? Nic straconego, delikatna rekursywna modyfikacja i już taką uzyskujemy, niejako przy okazji.Ale teraz podaję jakby tablica ta była znana.
Zacznijmy od nieformalnego podziału liczb pierwszych w zależności od rozkładanej liczby N:
- małe, mniejsze niż pierwiastek czwartego stopnia z N;
- średnie, większe niż pierwiastek czwartego stopnia, ale pojawią się w co najmniej dwu warstwach badanych;
- duże, wystąpią raz, rozpoznajemy je po tym, że podstawa systemu jest albo taką liczbą pierwszą, albo jej podwojeniem.
W pętli przeszukiwania zupełnego duże liczby pierwsze są sprawdzane i ignorowane. Potrzebujemy struktury kopca trzymajacego strukturę (liczba, lista jej dzielników), sortowaną malejąco po liczbie. Wkładając do kopca liczbę z dzielnikiem, sprawdzamy jej obecność. Jeśli już jest, tylko dopisujemy kolejny dzielnik do listy. Kopiec osiąga rozmiar równy krotności wszystkich małych i średnich liczb pierwszych.
Zaczynamy od liczby n będącej pierwiastkiem kwadratowym z N, w kopcu umieszczamy wartości (n- (n%k), k), gdzie k są małymi liczbami pierwszymi. Wiemy, że są one już dzielnikami podstawy systemu, trzeba jeszcze sprawdzić, czy są dzielnikami N.Dlatego specjalnie je zaznaczamy do sprawdzenia. Każdą liczbę pierwszą sprawdzamy dokładnie raz.
Mamy niezmiennik
N = (a+b)*a+c
Jeśli liczba k dzieli a oraz c, dzieli też N.
W pętli algorytmu przechodzimy na kolejną warstwę operacjami:
a-=1;
b+=2;
c+=b-1;
stosując przemieszczenie nadmiaru (z liczby w systemie o podstawie a), by c było ograniczone przez a. Może być też ujemne. Wartosć b tylko zwiększamy, może przekroczyć a. Dzielnik znajdziemy jako wspólny dzielnik gcd(c,a). Wystarczy tylko warunek 0= c%a, zamiast szukać wspólnego dzielnika gcd(c,a). Jest to pierwszy krok szukania tegoż dzielnika, i właśnie tyle wystarczy przy założeniu znajomości małych liczb pierwszych.
Algorytm przebiega następująco:
- pobieramy liczbę o 1 mniejszą, czyli n:=n-1
jeżeli z kopca, dzielimy ją przez jej dzielniki (z listy) by uzyskać jak najmniejszą wartość d, w przeciwnym przypadku generujemy;
uzyskujemy w ten sposób liczbę pierwszą d albo 1;
- dzielimy c%d i sprawdzamy reszty, tak samo z małymi liczbami pierwszymi z pobranej listy, reszta zero oznacza dzielnik, który zwracamy. Wyjście z algorytmu. Przy reszcie niezerowej te liczby pierwsze już nie muszą być sprawdzane, zaznaczają tylko kolejne wartości dla wygodniejszego szukania d;
- dla wszystkich uzyskanych średnich i małych liczb pierwszych k wprowadzamy do kopca pary (n-k, k);- przechodzimy na kolejną warstwę a-1;
- powtarzamy, aż osiągniemy połowę pierwiastka kwadratowego z N, zwracamy że N jest liczb pierwszą;
Załóżmy N=893453
pierwiastek kwadratowy sqrt N = 2988, którego kolejny pierwiastek to 54.
Bierzemy listę liczb pierwszych mniejszych niż 55 i wprowadzamy do kopca w postaci (c2 oznacza konieczność sprawdzenia podzielności 2 przez N):
(2988, [c2,c3])
(2987, [c29])
(2985, [c5])
(2983, [c19])
(2982, [c7])
(2981, [c11])
(2977, [c13])
(2976, [c31])
(2975, [c17])
(2968, [c53])
(2967, [c23, c43])
(2961, [c47])
(2960, [c37])
(2952, [c41])
Przystępujemy do algorytmu:
pobieramy n=a=2988, które ma dwa dzielniki: 2 i 3. Po podzieleniu przez nie n (czasem kilkakrotnie uzyskujemy nową średnią liczbę pierwszą d=83.
Niezmiennik dostarcza a=2988, b=1, c=2921
Sprawdzamy, czy N jest podzielne przez 2, 3, 83, dzieląc c przez te wartości. Zawsze występuje niezerowa reszta, zatem odkładamy do kopca nowe pozycje (2988-83, [83]) = (2905, [83]), (2985, [3]), (2986, [2])
Pozycja wyznaczona przez 2985 przyjmuje teraz wartość (2985, [3, c5])
Następna pozycja (2987, [29]), wskazuje kolejną liczbę pierwszą 103. Ale poznieważ c było duże, możemy przenieść 2987 z c jako jedynkę do b uzyskując
nową postać niezmiennika a=2897, b=4, c=-64
Sprawdzamy obydwie liczby 'dzieląc' 64%29, 64%103, odkładając na kopiec kolejne dwie wartości (2884, [103]) oraz (2958, [29]).
I tak początkowo co iterację dostajemy nową liczbę pierwszą, którą sprawdzamy. Ale wkrótce mamy wziąć 2978, na kopcu jest (2978, [2]), i mamy rozkład 2978 = 2*1489. Jest to duża liczba pierwsza w myśl podziału. Wartości (1489, [1489]) nie odkładamy do kopca.
Wartość (2976, [2,3,c31]) ma rozkład wykorzystujący tylko te cyfry, d=1. Z niezmiennika, c urosło do 101, sprawdzamy 101%31. Przy następnej takiej wartości 2970 nie ma już nic do sprawdzenia - wszystkie użyte dzielniki zostały sprawdzone.
Nieco wcześniej mamy 2971, której to wartości nie ma w kopcu. Jest to duża liczba pierwsza d=2971, która jest za duża, by być dzielnikiem. Niezmiennik ma wtedy znacznie mniejsze c=256.
W ten sposób znajdujemy kolejne liczby pierwsze; zeszlibyśmy z a do połowy 2988 czyli 1494, gdyby nie dzielnik, który znajdziemy dla pozycji o niezmienniku a=2174, b=1935 lub b=1936, c=|1087|, d=1087 = |c|.
Teraz modyfikacje.
Jeśli nie znamy wszystkich małych liczb pierwszych, możemy wywołać procedurę dla pierwiastka rekursywnie. Jednak wtedy każda znaleziona wartość pierwsza (także duza) generuje nowy obiekt do kopca do sprawdzenia. Przy wywołaniu rekursywnym niezmiennik jest nieistotny, nie porównujemy ani nie sprawdzamy. Uzyskamy w ten sposób tablicę liczb pierwszych.
Może być, że w petli głównej wartość jest iloczynem mniejszych liczb pierwszych, dla średnich liczb pierwszych wkrótce napotkamy kolejną warstwę z tym dzielnikiem, który powienien być lepiej widoczny (bo np. zmieni się parzystość). Ale dla dużych liczb pierwszych obawiam się przeoczenia tego dzielnika.
Na szczęście kierunek przechodzenia warstw można odwrócić.Proponowanym punktem startowym jest połowa pierwiastka z N, czyli w tym przykładzie a=1494, b=3a=4482 (choć lepiej 4486, gdyż wtedy c=-67).
Pomysł jest tak specyficzny, że działa także dla normalnych liczb, choć potrzeba pamiętania ogromnych wartości z ich dzielnikami powoduje, że sposób jest nieopłacalny, i nikt o nim nie wspomina.
Podobnie jest i teraz, choć wymagam tylko znajomości tablicy liczb pierwszych nie przekraczajacych pierwiastka czwartego stopnia z rozkładanej liczby. Nie mamy? Nic straconego, delikatna rekursywna modyfikacja i już taką uzyskujemy, niejako przy okazji.Ale teraz podaję jakby tablica ta była znana.
Zacznijmy od nieformalnego podziału liczb pierwszych w zależności od rozkładanej liczby N:
- małe, mniejsze niż pierwiastek czwartego stopnia z N;
- średnie, większe niż pierwiastek czwartego stopnia, ale pojawią się w co najmniej dwu warstwach badanych;
- duże, wystąpią raz, rozpoznajemy je po tym, że podstawa systemu jest albo taką liczbą pierwszą, albo jej podwojeniem.
W pętli przeszukiwania zupełnego duże liczby pierwsze są sprawdzane i ignorowane. Potrzebujemy struktury kopca trzymajacego strukturę (liczba, lista jej dzielników), sortowaną malejąco po liczbie. Wkładając do kopca liczbę z dzielnikiem, sprawdzamy jej obecność. Jeśli już jest, tylko dopisujemy kolejny dzielnik do listy. Kopiec osiąga rozmiar równy krotności wszystkich małych i średnich liczb pierwszych.
Zaczynamy od liczby n będącej pierwiastkiem kwadratowym z N, w kopcu umieszczamy wartości (n- (n%k), k), gdzie k są małymi liczbami pierwszymi. Wiemy, że są one już dzielnikami podstawy systemu, trzeba jeszcze sprawdzić, czy są dzielnikami N.Dlatego specjalnie je zaznaczamy do sprawdzenia. Każdą liczbę pierwszą sprawdzamy dokładnie raz.
Mamy niezmiennik
N = (a+b)*a+c
Jeśli liczba k dzieli a oraz c, dzieli też N.
W pętli algorytmu przechodzimy na kolejną warstwę operacjami:
a-=1;
b+=2;
c+=b-1;
stosując przemieszczenie nadmiaru (z liczby w systemie o podstawie a), by c było ograniczone przez a. Może być też ujemne. Wartosć b tylko zwiększamy, może przekroczyć a. Dzielnik znajdziemy jako wspólny dzielnik gcd(c,a). Wystarczy tylko warunek 0= c%a, zamiast szukać wspólnego dzielnika gcd(c,a). Jest to pierwszy krok szukania tegoż dzielnika, i właśnie tyle wystarczy przy założeniu znajomości małych liczb pierwszych.
Algorytm przebiega następująco:
- pobieramy liczbę o 1 mniejszą, czyli n:=n-1
jeżeli z kopca, dzielimy ją przez jej dzielniki (z listy) by uzyskać jak najmniejszą wartość d, w przeciwnym przypadku generujemy;
uzyskujemy w ten sposób liczbę pierwszą d albo 1;
- dzielimy c%d i sprawdzamy reszty, tak samo z małymi liczbami pierwszymi z pobranej listy, reszta zero oznacza dzielnik, który zwracamy. Wyjście z algorytmu. Przy reszcie niezerowej te liczby pierwsze już nie muszą być sprawdzane, zaznaczają tylko kolejne wartości dla wygodniejszego szukania d;
- dla wszystkich uzyskanych średnich i małych liczb pierwszych k wprowadzamy do kopca pary (n-k, k);- przechodzimy na kolejną warstwę a-1;
- powtarzamy, aż osiągniemy połowę pierwiastka kwadratowego z N, zwracamy że N jest liczb pierwszą;
Załóżmy N=893453
pierwiastek kwadratowy sqrt N = 2988, którego kolejny pierwiastek to 54.
Bierzemy listę liczb pierwszych mniejszych niż 55 i wprowadzamy do kopca w postaci (c2 oznacza konieczność sprawdzenia podzielności 2 przez N):
(2988, [c2,c3])
(2987, [c29])
(2985, [c5])
(2983, [c19])
(2982, [c7])
(2981, [c11])
(2977, [c13])
(2976, [c31])
(2975, [c17])
(2968, [c53])
(2967, [c23, c43])
(2961, [c47])
(2960, [c37])
(2952, [c41])
Przystępujemy do algorytmu:
pobieramy n=a=2988, które ma dwa dzielniki: 2 i 3. Po podzieleniu przez nie n (czasem kilkakrotnie uzyskujemy nową średnią liczbę pierwszą d=83.
Niezmiennik dostarcza a=2988, b=1, c=2921
Sprawdzamy, czy N jest podzielne przez 2, 3, 83, dzieląc c przez te wartości. Zawsze występuje niezerowa reszta, zatem odkładamy do kopca nowe pozycje (2988-83, [83]) = (2905, [83]), (2985, [3]), (2986, [2])
Pozycja wyznaczona przez 2985 przyjmuje teraz wartość (2985, [3, c5])
Następna pozycja (2987, [29]), wskazuje kolejną liczbę pierwszą 103. Ale poznieważ c było duże, możemy przenieść 2987 z c jako jedynkę do b uzyskując
nową postać niezmiennika a=2897, b=4, c=-64
Sprawdzamy obydwie liczby 'dzieląc' 64%29, 64%103, odkładając na kopiec kolejne dwie wartości (2884, [103]) oraz (2958, [29]).
I tak początkowo co iterację dostajemy nową liczbę pierwszą, którą sprawdzamy. Ale wkrótce mamy wziąć 2978, na kopcu jest (2978, [2]), i mamy rozkład 2978 = 2*1489. Jest to duża liczba pierwsza w myśl podziału. Wartości (1489, [1489]) nie odkładamy do kopca.
Wartość (2976, [2,3,c31]) ma rozkład wykorzystujący tylko te cyfry, d=1. Z niezmiennika, c urosło do 101, sprawdzamy 101%31. Przy następnej takiej wartości 2970 nie ma już nic do sprawdzenia - wszystkie użyte dzielniki zostały sprawdzone.
Nieco wcześniej mamy 2971, której to wartości nie ma w kopcu. Jest to duża liczba pierwsza d=2971, która jest za duża, by być dzielnikiem. Niezmiennik ma wtedy znacznie mniejsze c=256.
W ten sposób znajdujemy kolejne liczby pierwsze; zeszlibyśmy z a do połowy 2988 czyli 1494, gdyby nie dzielnik, który znajdziemy dla pozycji o niezmienniku a=2174, b=1935 lub b=1936, c=|1087|, d=1087 = |c|.
Teraz modyfikacje.
Jeśli nie znamy wszystkich małych liczb pierwszych, możemy wywołać procedurę dla pierwiastka rekursywnie. Jednak wtedy każda znaleziona wartość pierwsza (także duza) generuje nowy obiekt do kopca do sprawdzenia. Przy wywołaniu rekursywnym niezmiennik jest nieistotny, nie porównujemy ani nie sprawdzamy. Uzyskamy w ten sposób tablicę liczb pierwszych.
Może być, że w petli głównej wartość jest iloczynem mniejszych liczb pierwszych, dla średnich liczb pierwszych wkrótce napotkamy kolejną warstwę z tym dzielnikiem, który powienien być lepiej widoczny (bo np. zmieni się parzystość). Ale dla dużych liczb pierwszych obawiam się przeoczenia tego dzielnika.
Na szczęście kierunek przechodzenia warstw można odwrócić.Proponowanym punktem startowym jest połowa pierwiastka z N, czyli w tym przykładzie a=1494, b=3a=4482 (choć lepiej 4486, gdyż wtedy c=-67).
Subskrybuj:
Posty (Atom)