Асимптотический закон распределения простых чисел.
Решето Эратосфена отыскивает все простые числа от 1 до N. Однако при большом N поиск простых чисел таким способом отнимает много времени. Современная практическая криптография требует использования больших простых чисел – в некоторых стандартах используются простые числа размером порядка 1024 бита.
По понятным причинам, невозможно организовать поиск таких больших простых чисел при помощи решета Эратосфена. В настоящее время разработано несколько вероятностных и детерминированных тестов на простоту. Эти тесты определяют, является ли наугад выбранное число простым или составным. Далее мы изучим такие вероятностные тесты, как тест Ферма, Соловея-Штрассена, Миллера-Рабина.
Для поиска простых чисел с помощью таких тестов используют следующий подход: из чисел заданного диапазона случайным образом выбирают числа и проверяют их на простоту. Поиск прекращается как только будет найдено простое число. Такой подход называют случайным поиском простых чисел.
Для того чтобы оценить время, которое придется затратить на случайный поиск в заданном диапазоне, необходимо знать, сколько примерно простых чисел в этом диапазоне содержится. Конечно, точное распределение простых чисел в N неизвестно, но некоторые сведения об этом распределении у современной математики имеются. Так, в п.4 мы привели теоремы Евклида о простых числах, в которых утверждается, что, с одной стороны, простых чисел бесконечно много, а значит найдется сколь угодно большое простое число, а с другой стороны – что для любого m найдутся m подряд идущих составных, то есть существуют такие сколь угодно длинные диапазоны, на которых простых чисел нет вообще.
Более точно на вопрос о распределении простых чисел в N отвечает асимптотический закон распределения простых чисел.
Итак, обозначим π(x) – количество простых чисел, меньших либо равных x. Тогда справедлив
Асимптотический закон простых чисел
.
■
Другими словами, при x→∞, π(x)→x/lnx.
Кроме того, справедлива
Теорема Чебышева (1850 г.)
Для любого x при некоторых c1<1< c2 выполняется .
■
Учитывая асимптотический закон, можно сказать, что чем x больше, тем c1 и с2 ближе к 1.
Для x>1 с2<1,25506, для x≥17 с1=1.
Пример.
Пользуясь асимптотическим законом, вычислим примерное количество простых 512-битных чисел (таких, чтобы старший, 512-й, бит был равен 1).
Наименьшее значение 512-битного числа составляет 2511, наибольшее – 2512-1.
Таким образом, нужно найти приблизительное количество K простых чисел из диапазона (x1=2511, x2=2512).
K = π(x2)—π(x1) ≈ = = = = = .
Тогда вероятность при случайном поиске в заданном диапазоне выбрать простое число составляет
P = ≈ = ≈ .
Если же случайный поиск производить только среди нечетных чисел, то
P = ≈ .
То есть для того, чтобы путем случайного перебора среди 512-битных нечетных чисел найти простое, в среднем понадобится 178 итераций.
Для 1024-битных чисел поиск среди нечетных чисел потребует в среднем 355 итераций.
В общем, при увеличении требуемого размера числа (в битах) в 2 раза, среднее время поиска тоже увеличивается в два раза.
Функция Эйлера.
Дата добавления: 2015-11-28; просмотров: 2285;