问题

求一个整数的所有素数因子的思路是什么?

回答
要找一个整数的所有素数因子,说白了就是把这个数给“拆解”开,一直拆到只剩下最小的、不能再被除了1和它本身之外的其他数整除的数为止。这些最后的、最小的组成部分,就是它的素数因子。

咱们一步步来琢磨琢磨这个过程,想想怎么才能把这事儿办得又准又全。

第一步:从最小的素数开始“试探”

咱们知道,素数最小的是2。所以,任何一个要找素数因子的数,第一个要检查的就是它能不能被2整除。

如果能被2整除: 那说明2就是它的一个素数因子。这时候,咱们别忘了把原来的数除以2,得到一个新的数。然后,咱们继续用这个新的数,重复这个“能不能被2整除”的步骤。为什么呢?因为一个数可能不止一个2作为因子,比如12,它既有2,再除以2还有6,6又可以被2整除。所以要一直除到它不能再被2整除为止。

如果不能被2整除: 那就说明2不是它的因子,或者说,所有的2都已经被我们找出来了。这时候,咱们就得试试下一个素数了。

第二步:换下一个素数接着试

既然2已经试过了,那下一个最小的素数是什么呢?是3。

用当前的数除以3: 和对待2一样,如果当前的数能被3整除,那3就是它的一位素数因子。同样,咱们把这个数除以3,得到一个更小的数,然后继续用这个更小的数,看看还能不能再被3整除。一直除到不能为止。

如果不能被3整除: 那就换下一个素数。

第三步:循环往复,直到找到所有的因子

这个过程就是重复的:找当前最小的素数,看能不能整除当前的数;如果能,就记下这个素数,然后用当前的数除以它,再继续试;如果不能,就换下一个更大的素数。

咱们接着往后试:
试4?不用,因为4不是素数,如果一个数能被4整除,它肯定早就被2整除了。所以我们只需要试素数就可以了。
试5?可以。
试6?不用,6是2乘3,如果能被6整除,肯定之前就被2和3整除了。
试7?可以。
试11?可以。
试13?可以。

等等,咱们什么时候停下来呢?

第四步:确定什么时候可以停止“试探”

这里有一个很关键的点:当我们要试除的素数,它的平方(或者说,它乘以它自己)已经大于了我们当前的这个数,那么我们就可以停下来了。

为什么是这样呢?

举个例子,我们要分解的数是100。
1. 100能被2整除,得到50。素数因子:2。
2. 50能被2整除,得到25。素数因子:2, 2。
3. 25不能被2整除,试3。25不能被3整除。
4. 25能被5整除,得到5。素数因子:2, 2, 5。
5. 5能被5整除,得到1。素数因子:2, 2, 5, 5。

好了,现在我们得到了1。当这个数变成1的时候,我们就找完了。

再换个例子,比如我们要分解的数是29。
1. 29不能被2整除。
2. 29不能被3整除。
3. 29不能被5整除。

接下来要试哪个素数?是7。7的平方是49。我们当前的数是29,49比29大。这时候我们就可以停下来了。如果一个数(除了1和它本身)是29的因子,那么它一定有一个是小于等于29的平方根的。既然我们已经试了所有小于根号29的素数(大概是5点多),都没能整除29,那说明29本身就是一个素数。所以,29的素数因子就是它自己。

所以,停止的条件是:当前要试的素数 p 满足 p p > 当前的数 N。 如果此时 N 还是大于 1,那么 N 本身就是一个素数因子。

总结一下整个过程,就像这样:

1. 准备一个空的列表,用来存放找到的素数因子。
2. 从最小的素数2开始,检查它能不能整除我们要分解的数(我们称之为 `remaining_number`)。
3. 如果能整除:把2添加到因子列表里,然后用 `remaining_number` 除以2。重复这个步骤,直到 `remaining_number` 不能再被2整除为止。
4. 如果不能整除:换下一个素数(3)。重复步骤3。
5. 继续这个过程,依次尝试3、5、7、11、13……(所有素数)。
6. 什么时候停? 当我们尝试的素数 `p` 满足 `p p > remaining_number` 的时候,就该考虑停止了。
7. 最后的检查:如果在上面步骤结束后,`remaining_number` 仍然大于1,那么 `remaining_number` 本身就是一个素数因子,把它也添加到因子列表里。

这样,把所有找到的素数因子都列出来,就完成了对原始整数的素数因子分解。这个方法保证了我们能找到所有该有的素数因子,而且不会遗漏。

比如分解72:
72 / 2 = 36。因子:[2]
36 / 2 = 18。因子:[2, 2]
18 / 2 = 9。因子:[2, 2, 2]
9 不能被2整除。
9 / 3 = 3。因子:[2, 2, 2, 3]
3 / 3 = 1。因子:[2, 2, 2, 3, 3]
当前数是1,结束。72的素数因子是2, 2, 2, 3, 3。

再比如分解101:
101 不能被2整除。
101 不能被3整除。
101 不能被5整除。
101 不能被7整除。
下一个素数是11。11 11 = 121。121 > 101。停止试除。
此时 `remaining_number` 是101,大于1,所以101本身是素数因子。因子:[101]。

你看,这个思路就是一层一层剥洋葱,找到最小的“刺”,剥掉它,再找剩下的部分最小的“刺”,直到最后什么都不剩了。

网友意见

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  1. 一般的小数可以用简单筛法找出质数列表,然后一个个试。这种方法简单暴力,但是对几亿以下的数字可以很快。

2. 再大一点的数 就用Pollard的 算法,思路:

任取一个数 开始,不断计算 ,则如果 有质因数 ,那么 应该能更快地进入循环,可以用龟兔赛跑算法(图形状像 ,因此算法得名)试图找出这个循环点,一旦找到 ,立刻可以算 和 的最大公约数得到分解。有一定几率失败。

3. 更大的但在 以下的 可以用Lenstra椭圆曲线算法(ECM),思路:

挑选椭圆曲线 外加上面某一点 ,然后取一个较小的阶乘 ,反复用椭圆曲线加法算出 ,在重复计算加法中每一步都会计算和曲线切线斜率 同余的整数,即找出整数 使得 ,方法为找 和 的最大公约数,在这个过程中如果得出公约数大于1则分解成立,有一定几率失败。

4. 更大的 以下的 可以用二次筛(QS),思路

费尔马分解法试图把奇数 写成 的方法,这样立刻可得因数分解 ,二次筛就是一种可以高效找到此类数字的方法,试图测试多个介于 和 之间的数 ,如果 正好是完全平方那就成了,不然找到几个不同的 ,如果乘积正好是完全平方数,那么 满足条件。

5. 再往上只能用普通数域筛选法(GNFS),这个就很复杂了,思路

也是用费尔马分解法,只是比二次筛更高效,核心定理:

取系数为整数的 次多项式 有复根 ,并存在不是 倍数的整数 ,使得 为 倍数,将所有次数不超过 的整系数多项式代入后的值定义为一个“环”(因为任何两个这样形式的数的和或积依然是这样形式的数),那么必然存在一个将这个环里的复数映射到不是 倍数的整数上的函数 满足:

i -

ii -

iii -

iv -

已知这个定理后,如果找到整数对 使得复数 ,整数 ,以及 的映像 ,则很容易根据i-iv得到 ,有2/3机会能由此找到 的一个约数。

2009年,232位的RSA-768数通过上百台计算机耗时两年成功分解,用的就是高度优化后的GNFS。

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