Pseudoprimzahlen: Lucas-Pseudoprimzahlen

Lucas-Pseudoprimzahlen sind zusammengesetze natürliche Zahlen, die bestimmte Kriterien bezüglich der allgemeinen Lucas-Folgen erfüllen, die von allen ungeraden Primzahlen erfüllt werden.[1]

Lucas-Folgen

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Die Glieder der Lucasfolgen werden im Folgenden mit   und   bezeichnet.
Sie sind wie folgt definiert:

  • Anfangswerte:
    •  
    •  
  • Rekursionsformeln für  :
    •  
    •  

Durch Beziehungen zwischen den Folgegliedern lassen sich diese auch für hohe Indizes, wie das z.B. für Primzahltests notwendig ist, effizient berechnen. Die Berechnung erfolgt dabei analog zum binären Potenzieren.

Die wichtigsten Beziehungen (  steht dabei für   bzw.  ):[2]

 

Zu  : Der Zähler ist immer gerade. Bei Berechnung Modulo   können die Zwischenergebnisse Modulo   berechnet werden und ganz zum Schluss das Endergebnis Modulo  .

Kongruenzen

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Für jede ungerade, zu   teilerfremde Primzahl  gelten folgende Kongruenzen:

  1.   mit  
    • stark, mit  :
      •   oder
      •   für ein  
  2.  
  3.  
  4.  

Dabei ist   das Jacobi-Symbol.

Wenn   ist, d. h.   ungerade und teilerfremd zu   und   ist, folgen aus beliebigen zwei der genannten Kongruenzen die anderen beiden (bei Kongruenz 1 ohne die starke Kongruenzbedingung).[3]

Baillie-Wagstaff-Lucas-Pseudoprimzahlen

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Baillie und Wagstaff definieren Lucas-Pseudoprimzahlen wie folgt:[4]

Gegeben seien

  • die ganzzahligen Parameter   und  ,
  • die entsprechenden Lucasfolgen   und  ,
  •  ,
  •   eine positive ganze Zahl und
  •   der Wert des Jacobi-Symbols.

Mit jeder zu   teilerfremden ungeraden Primzahl   ist folgende Kongruenz erfüllt:

  (1)

Eine zusammengesetzte Zahl   heißt Lucas-Pseudoprimzahl, wenn diese Kongruenz erfüllt ist.

Kongruenz (1) ist eine der beiden Kongruenzen, die für Frobenius-Pseudoprimzahlen erfüllt sein müssen. Daher ist jede Frobenius-Pseudoprimzahl auch eine Baillie-Wagstaff-Lucas-Pseudoprimzahl.

Euler-Lucas-Pseudoprimzahlen

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Eine ungerade zusammengesetzte Zahl ist eine Euler-Lucas-Pseudoprimzahl, wenn   und

 , wenn   oder  
 , wenn   ist.[4]  

Mit der Abhängigkeit der Kriterien vom Wert des Jacobi-Symbols besteht eine Analogie zu Euler-Jacobi-Pseudoprimzahlen und ohne diese Abhängigkeit zu Eulerschen Pseudoprimzahlen.

Aus   folgt

 .  

Daher sind Euler-Lucas-Pseudoprimzahlen auch Baillie-Wagstaff-Lucas-Pseudoprimzahlen mit den gleichen Parametern.

Starke Lucas-Pseudoprimzahlen

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Mit der Faktorisierung von   in   mit   ungerade sind starke Baillie-Wagstaff-Lucas-Pseudoprimzahlen zusammengesetze Zahlen, für die eine der Kongruenzen

  (1.1a)

oder

  für ein   (1.1b)

erfüllt ist.

Starke Lucas-Pseudoprimzahlen sind auch Euler-Lucas-Pseudoprimzahlen[4] und Lucas-Pseudoprimzahlen mit den gleichen Parametern.

Umgekehrt ist jede Euler-Lucas-Pseudoprimzahl der Form   starke Lucas-Pseudoprimzahl, da in diesen Fällen   ist, und damit die Kriterien für Euler-Lucas-Pseudoprimzahlen denen für starke Lucas-Pseudoprimzahlen entsprechen.

Extrastarke Lucas-Pseudoprimzahlen

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sind starke Lucas-Pseudoprimzahlen mit Parametersatz  , wobei Q = 1 ist, die eine der Bedingungen

   

oder

  für ein    

erfüllen.[1]

Extrastarke Lucas-Pseudoprimzahlen sind auch starke Lucas-Pseudoprimzahlen mit den gleichen Parametern  .

Aus   folgt   und  .
Aus   für ein  folgt   und daraus  .
Daher erfüllen alle extrastarken Lucas-Pseudoprimzahlen auch Kongruenz 2.

Von   abhängige Parameterauswahl:
Es wird das kleinste   gewählt, mit dem   ist; dabei ist  , weil   ist. Die ersten extrastarken Lucas-Pseudoprimzahlen sind dann 989, 3239, 5777, 10877, 27971, 29681, 30739, 31631, 39059, 72389, 73919, 75077.[5]
Es sind keine Überschneidungen mit starken Pseudoprimzahlen zur Basis 2 bekannt.

Absolute Lucas-Pseudoprimzahlen

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Eine absolute Lucas-Pseudoprimzahl zur Diskriminante D ist eine zusammengesetzte ganze Zahl  , die Kongruenz 1 mit allen Parameterpaaren (P, Q) mit der selben Diskriminante   und   erfüllt.

Eine zusammengesetzte Zahl   ist genau dann eine absolute Lucas-Pseudoprimzahl, wenn sie quadratfrei ist und für all ihre Primteiler ( )   (Williams' Kriterium) gilt.

Beispiel:   ist absolute Lucas-Pseudoprimzahl zur Diskriminante  ;

  •  ,
  •  ,
  •  ,
  •   teilt  .

Parameterpaare mit   sind zum Beispiel  .

Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen

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Ein Lucas-Primzahltest ist am nützlichsten, wenn   so gewählt wird, dass der Wert des Jacobi-Symbols   ist.

John Selfridge hat dafür folgendes Parameterauswahlverfahren empfohlen:
Gewählt wird das erste   aus  mit  , das die Bedingung

 

erfüllt, was voraussetzt, dass   und   teilerfremd sind.

Nachdem   auf diese Weise bestimmt wurde, werden die Parameter   und   gesetzt. Mit   ist   und  .

Für jede Primzahl n gilt dann Kongruenz 1 mit  :

  (2)

Zusammengesetzte Zahlen, für die diese Kongruenz erfüllt ist, sind Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen.
Die ersten sind 323, 377, 1159, 1829, 3827, 5459, 5777, 9071, 9179, 10877.


Anmerkungen:

Wenn   ist, haben   und   einen gemeinsamen Teiler, und   ist zusammengesetzt, wenn nicht   ist. Da das beschriebene Auswahlverfahren für Primzahltests vorgesehen ist, wird in solchen Fällen der Test abgebrochen. Deshalb gibt es auch keine durch 5 teilbaren Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen.

Es wird nicht mit   begonnen, weil dann   und Kongruenz (1) mit allen ungeraden Zahlen erfüllt wäre.

Wenn   eine Quadratzahl ist, gibt es kein  , mit dem obengenannte Bedingung erfüllt ist; dies sollte also vorher oder während des Auswahlverfahrens geprüft werden. Im Umkehrschluss bedeutet das auch, dass   keine Quadratzahl ist, wenn ein   gefunden wurde, das diese Bedingung erfüllt.

 , wenn   eine Quadratzahl ist, daher erfüllen Quadratzahlen die Bedingung nicht.

Alle Beträge von  , die größer als 15 sind, sind Primzahlen.

  kann beliebig groß werden, z. B. größer als 100, wenn   das Produkt aller Primzahlen unter 100 plus 1 ist; im Mittel führen aber weniger als 2 Versuche,   zu finden, zum Ziel.[4]

Starke Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen

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Starke Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen sind zusammengesetze Zahlen, für die eine der Bedingungen

  mit   und   ungerade (3)

oder

  für ein   (4)

erfüllt ist.
Die ersten starken Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen sind 5459, 5777, 10877, 16109, 18971, 22499, 24569, 25199, 40309, 58519.
Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen gehören zu den wichtigsten Pseudoprimzahlen, weil der Selfridge-Lucas-Primzahltest Teil des Baillie-PSW-Primzahltests ist.

Zusätzliche Kongruenzbedingung

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Kongruenz 1 ist eine der beiden Kongruenzbedingungen, die Frobenius-Pseudoprimzahlen erfüllen. Bei Auswahl der Parameter   wie oben, also mit  , ist die zweite (Kongruenz 2)

 . (5)

Weniger als ein Viertel der starken Lucas-Pseudoprimzahlen mit gleichen Parametern erfüllt auch diese Kongruenz.

Die ersten derartigen Pseudoprimzahlen sind 5777, 10877, 75077, 100127, 113573.

Eigenschaften

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Überschneidung mit starken Pseudoprimzahlen

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Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen sind selten auch Starke Pseudoprimzahlen; unter 1015 gibt es nur zwei starke Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen, die auch starke Pseudoprimzahlen zu irgendeiner Basis unter 128 sind: 5777 (=762 + 1) zur Basis 76 und 104107121 zur Basis 104. Von den ersten 10 sind 4 zu keiner Basis zwischen 1 und n - 1 stark pseudoprim, die anderen 6 zu maximal 48 Basen (18971). Von den 474971 starken Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen unter 1015 sind nur 154993 starke Pseudoprimzahlen zu irgendeiner Basis   mit  ; das ist ein Anteil von ca. 33%, während der Anteil starker Pseudoprimzahlen an den ungeraden zusammengesetzten Zahlen im selben Bereich bei ca. 45% liegt.
Es wurde nachgewiesen, dass es unter 264 keine zusammengesetzen Zahlen gibt, die sowohl Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen als auch starke Pseudoprimzahlen zur Basis 2 sind. Auch über dieser Grenze wurde noch keine solche Zahl gefunden.

Allerdings gibt es Parameter, mit denen starke Pseudoprimzahlen zur Basis 2 gleichzeitig starke Lucas-Pseudoprimzahlen sind, zum Beispiel ist 8321 starke Pseudoprimzahl zur Basis 2 und starke Lucas-Pseudoprimzahl mit den Parametern  ,   und erfüllt auch Kongruenz 2.

Starke Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen lassen sich häufig als Produkte der Form

  mit  ,
 und
 

ausdrücken. Umgekehrt ist der Anteil starker Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen bei solchen Produkten deutlich höher als bei ungeraden Zahlen allgemein.

Häufigkeit

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Lucas-Pseudoprimzahlen sind viel seltener als Primzahlen, wie folgende Tabelle zeigt.

Anzahl der Lucas-Pseudoprimzahlen im Vergleich
zu Primzahlen und fermatschen Pseudoprimzahlen
Fermat Selfridge-Lucas
Obergrenze x Primzahlen[6] psp(2) spsp(2)[5] lpsp slpsp[5] vlpsp(1, -1) vpsp[3] lpsp &
psp(2)
slpsp: f(x)(I)
109 50.847.534 5.597 1.282 5.485 1.415 304 1 0 4,1·10-6
1012 37.607.912.018 101.629 22.407 116.928 25.542 5.339 3 0 2,3·10-7
1015 29.844.570.422.669 1.801.533 419.489 2.402.549 474.971 101.788 5 0 1,2·10-8

(I) Mittlerer Anteil falscher Zeugen beim Miller-Rabin-Test.

Restklassen

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Starke Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen liegen wesentlich häufiger in der Restklasse -1 modulo kleiner Zahlen   als in anderen Restklassen. Folgende Tabelle zeigt die Verteilung der starken Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen bis 1015 auf Restklassen modulo   an ein paar Beispielen.

Anzahl starker Selfridge-Lucas-Pseudoprimzahlen in Restklasse
m 0 1 2 3 4 5 6 7
3 656 78914 395401
5 0 81600 65141 36647 291583
7 15 55752 75056 33871 54977 41234 214066
8 0 74329 0 136178 0 73660 0 190804

Lucas-V-Pseudoprimzahlen

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Wenn Selfridges Methode   (und damit  ) ergibt, können die Parameter so geändert werden, dass   ist; dabei bleibt   unverändert[3]. Für   bleiben   und   unverändert.

Zusammengesetzte Zahlen, die mit diesem modifizierten Parameterauswahlverfahren Kongruenz 2 erfüllen, werden Lucas-V-Pseudoprimzahlen (vpsp) genannt. Diese sind sehr selten: bis 1015 gibt es nur 5:

913, 150267335403, 430558874533, 14760229232131 und 936916995253453; keine davon erfüllt auch Kongruenz 1 oder ist starke Pseudoprimzahl zu irgendeiner Basis unter 3,9⋅1010.

Falsche Zeugen bei Fermat- und Miller-Rabin-Test
 Fermat-Test, falsche Zeugen   Miller-Rabin-Test, falsche Zeugen 
n Anzahl kleinster Anzahl kleinster
913 2 331 0 -
150267335403 30 6203146387 0 -
430558874533 142 1078176182 52 39764030759
14760229232131 34 310097526008 16 969257047267
936916995253453 46 1349585374882 4 62837152221620

Keine der Fermatschen Pseudoprimzahlen zur Basis 2 bis 264 ist auch Lucas-V-Pseudoprimzahl mit der obengenannten Parameterauswahl.

Pell-Pseudoprimzahlen

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Mit den Parametern   ist   die Pell-Folge.
Für Pell-Pseudoprimzahlen gibt es drei alternative Definitionen, jeweils mit obengenannten Parametern:
Pell-Pseudoprimzahlen sind

a) zusammengesetze Zahlen mit denen Kongruenz (1) erfüllt ist.

Damit sind Pell-Pseudoprimzahlen also Baillie-Wagstaff-Lucas-Pseudoprimzahlen mit den Parametern P = 2 und Q = -1.
Die ersten Pseudoprimzahlen sind dann 35, 169, 385, 779, 899, 961, 1121, 1189, 2419.
Die ersten starken Pseudoprimzahlen mit diesen Parametern sind 169, 961, 1121, 3827, 6441, 6601, 7801, 8119.

b) zusammengesetze Zahlen mit denen   erfüllt ist.
Dies entspricht der obengenannten Kongruenz 3: .
Auf Grund der Multiplikativität des Jacobi-Symbols gilt mit  .

Die ersten Pseudoprimzahlen sind dann 169, 385, 741, 961, 1121, 2001, 3827, 4879, 5719, 6215.

c) ungerade zusammengesetze Zahlen mit denen   erfüllt ist. Pell-Pseudoprimzahlen nach dieser Definition sind damit Dickson-Pseudoprimzahlen mit den Parametern P = 2 und Q = -1 (D = 8).

Die ersten Pseudoprimzahlen sind dann 169, 385, 961, 1105, 1121, 3827, 4901, 6265, 6441, 6601, 7107, 7801, 8119.

Da zur effizienten Berechnung von   für große   auch   berechnet werden muss, können mit wenig Mehraufwand beide Bedingungen aus b) und c) geprüft werden. Die ersten Pseudoprimzahlen, die diese Bedingungen erfüllen, sind 169, 385, 961, 1121, 3827, 6265, 6441, 6601, 7801, 8119, 10945, 13067, 15841, 18241, 19097.

Häufigkeit

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Anzahl der Pell-Pseudoprimzahlen und Überschneidung
mit fermatschen und Lucas-Pseudoprimzahlen
gleichzeitig Pell &
Obergrenze x Pell (b)[5] f(x)(I) Pell (b&c) PsP(2) sPsP(2) lpsp slpsp vlpsp(1, -1)
103   4 0.025 3 1 0 0 0 0
104   18 0.011 10 2 0 1 0 0
105   63 0.013 41 6 2 3 0 0
106   200 0.011 119 14 2 9 2 0
107   603 0.008 369 35 7 28 11 3
108   1722 0.007 1058 82 16 61 20 6
109   4851 0.006 2973 247 50 184 52 16
1010 12946 0.006 8064 666 139 485 126 46
1011 34265 0.006 21504 1638 328 1191 310 116
1012 89714 0.006 57083 4118 867 2916 777 287
1013 233541 0.006 149940 10404 2210 7272 2024 783


  1. 1,0 1,1   Lucas pseudoprimes
  2.   Lucas sequence: Other relations
  3. 3,0 3,1 3,2 https://arxiv.org/abs/2006.14425 Robert Baillie; Andrew Fiori; Samuel S. Wagstaff, Jr. (July 2021). "Strengthening the Baillie-PSW Primality Test". Mathematics of Computation. 90 (330): 1931–1955.
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 http://mpqs.free.fr/LucasPseudoprimes.pdf
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Pseudoprime Statistics, Tables
  6.   Primzahlsatz