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
BearbeitenDie 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
BearbeitenFür jede ungerade, zu teilerfremde Primzahl gelten folgende Kongruenzen:
- mit
- stark, mit :
- oder
- für ein
- stark, mit :
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
BearbeitenBaillie 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
BearbeitenEine 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
BearbeitenMit 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
Bearbeitensind 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
BearbeitenEine 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
BearbeitenEin 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
BearbeitenStarke 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.
Selfridge-Frobenius-Pseudoprimzahlen
BearbeitenKongruenz 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
BearbeitenÜberschneidung mit starken Pseudoprimzahlen
BearbeitenSelfridge-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.
Teiler
BearbeitenStarke 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
BearbeitenLucas-Pseudoprimzahlen sind viel seltener als Primzahlen, wie folgende Tabelle zeigt.
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
BearbeitenStarke 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
BearbeitenWenn 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.
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
BearbeitenMit 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. |
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
Bearbeitengleichzeitig 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 |
Quellen
Bearbeiten- ↑ 1,0 1,1 Lucas pseudoprimes
- ↑ Lucas sequence: Other relations
- ↑ 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.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 http://mpqs.free.fr/LucasPseudoprimes.pdf
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Pseudoprime Statistics, Tables
- ↑ Primzahlsatz