普通的素数测试我们有O(√ n)的试除算法。事实上,我们有O(slog3n)的算法。
  定理一:假如p是质数,且(a,p)=1,那么a^(p-1)≡1(mod p)。即假如p是质数,且a,p互质,那么a的(p-1)次方除以p的余数恒等于1。(费马小定理)
  该定理的逆命题是不一定成立的,但是令人可喜的是大多数情况是成立的。
  于是我们得到了一个定理的直接应用,对于待验证的数p,我们不断取a∈[1,p-1]且a∈Z,验证a^(p-1) mod p是否等于1,不是则p果断不是素数,共取s次。其中a^(p-1) mod p可以通过把p-1写成二进制,由(a*b)mod c=(a mod c)*b mod c,可以在t=log(p-1)的时间内计算出解,如考虑整数相乘的复杂度,则一次计算的总复杂度为log3(p-1)。这个方法叫快速幂取模。
  为了提高算法的准确性,我们又有一个可以利用的定理。
  定理二:对于0<x<p,x^2 mod p =1 => x=1或p-1。
  我们令p-1=(2^t)*u,即p-1为u二进制表示后面跟t个0。我们先计算出x[0]=a^u mod p ,再平方t次并在每一次模p,每一次的结果记为x[i],后也可以计算出a^(p-1) mod p。若发现x[i]=1而x[i-1]不等于1也不等于p-1,则发现p果断不是素数。
  可以证明,使用以上两个定理以后,检验s次出错的概率至多为2^(-s),所以这个算法是很可靠的。
  需要注意的是,为了防止溢出(特别大的数据),a*b mod c 也应用类似快速幂取模的方法计算。当然,数据不是很大可以免了。
  下面是我的程序。
typedef unsigned long long LL;
LL modular_multi(LL x,LL y,LL mo)
{
LL t;
x%=mo;
for(t=0;y;x=(x<<1)%mo,y>>=1)
if (y&1)
t=(t+x)%mo;
return t;
}
LL modular_exp(LL num,LL t,LL mo)
{
LL ret=1,temp=num%mo;
for(;t;t>>=1,temp=modular_multi(temp,temp,mo))
if (t&1)
ret=modular_multi(ret,temp,mo);
return ret;
}
bool miller_rabbin(LL n)
{
if (n==2)return true;
if (n<2||!(n&1))return false;
int t=0;
LL a,x,y,u=n-1;
while((u&1)==0) t++,u>>=1;
for(int i=0;i<S;i++)
{
a=rand()%(n-1)+1;
x=modular_exp(a,u,n);
for(int j=0;j<t;j++)
{
y=modular_multi(x,x,n);
if (y==1&&x!=1&&x!=n-1)
return false;
///其中用到定理,如果对模n存在1的非平凡平方根,则n是合数。
///如果一个数x满足方程x^2≡1 (mod n),但x不等于对模n来说1的两个‘平凡’平方根:1或-1,则x是对模n来说1的非平凡平方根
x=y;
}
if (x!=1)///根据费马小定理,若n是素数,有a^(n-1)≡1(mod n).因此n不可能是素数
return false;
}
return true;
}