算法学习笔记(11): 原根

原根

目录

• 原根
  • 阶
  • 原根
    • \(O(1)\) 求解快速幂
    • 将模意义下乘法转换为对于指数的加法
    • 其他小东西

此文相对困难，请读者酌情食用

在定义原根之前，我们先定义其他的一点东西

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阶

通俗一点来说，对于 \(a\) 在模 \(p\) 意义下的阶就是 \(a^x \equiv 1 \pmod p\) 的最小正整数解 \(x\)

或者说，\(a\) 在模 \(p\) 意义下生成子群的阶（群的大小）

再或者说，是 \(a\) 在模 \(p\) 意义下的循环节的大小

循环节，生成子群……真绕……其实两者很类似

两者的大小也就是在模 \(p\) 意义下集合 \(\{a^1, a^2, a^3,\dots,a^k\}\) 不重复元素的个数

可以通过欧拉定理可知 \(a^{\varphi(p)} \equiv a^0 \equiv 1 \pmod p\) 也就是说存在一个数 \(k\)，使得 \(a^k \equiv a \pmod p\)

所以，就有了循环……

我们将 \(a\) 在模 \(m\) 意义下的阶记作 \(ord_ma\)

显然，无论是根据群论还是什么，\(ord_ma\) 一定是 \(\varphi(p)\) 的因数

特别的，当 \(ord_ma = \varphi(p)\) 时，称 \(a\) 为模 \(p\) 意义下的一个原根

那么原根的定义出来了……

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原根

上述定义或许不是那么简单，我们换一种说法

\[\begin{aligned} \forall x \in [1, \varphi(p)), a^x \not\equiv 1 \pmod p \\ a^{\varphi(p)} \equiv 1 \pmod p \end{aligned} \]

满足上述两个条件的数 \(a\) 就是模 \(p\) 意义下的一个原根

这两个条件也是我们在程序中验证原根的方法 QwQ

而对于原根来说，\(a^1, a^2,\dots,a^{\varphi(p)}\) 在 \(m\) 下各不相同，他们就是最短的循环节，也是模 \(p\) 意义下的完全剩余系，或者说原根的生成子群，而这也是原根最重要的性质。

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但是，并不是每一个数都存在原根

例如 \(\varphi(8) = 4\)，但是没有任何数在模 \(8\) 下的阶为 \(4\)

为判断一个数是否有原根，我们有一个重要的定理：

正整数 \(k\) 有原根的充要条件为 \(k\) 能表示成 \(2, 4, p^n, 2p^n\) 中的任何形式之一，其中 \(p\)为奇素数

由于证明比较复杂，若感兴趣可以参见这篇博客 原根证明

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那么如何求出一个数 \(p\) 有多少个原根

假设我们已经求出了一个原根 \(g\)

由于原根一定存在与 \(p\) 的完全剩余系中，而 \(g\) 的生成子群与之等价，也就是说，我们需要在

\[\{g^k|k \in [1, \varphi(p))\} \]

这个集合中寻找所有的原根

所以，考虑构造出判断阶的方法。我们令 \(d = gcd(k, \varphi(p))\)

那么

\[g^{k\frac {\varphi(p)} d} \equiv g^{\varphi(p) \frac kd} \equiv 1^{\frac kd} \equiv 1 \pmod p \]

那么 \(\frac k{gcd(k, \varphi(p))}\) 也就是 \(g^k\) 的阶

若需要满足原根的定义，我们必须使得 \(gcd(k, \varphi(p)) = 1\)

同时考虑 \(g = g^1\)，\(gcd(1, \varphi(p)) = 1\)，也就是说有总共有 \(\varphi(\varphi(p))\) 个原根

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这同时启发我们，只要我们找到了任意一个模 \(p\) 意义下的原根，我们就可以求出所有原根。

至于如何找到原根，选择暴力枚举即可

有证明：如果一个数 \(n\) 有原根，则其最小原根在渐近意义下不大于 \(\sqrt[4]n\) 级别，所以直接枚举是没有任何问题的

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那么我们总结一下求 \(n\) 的原根的所有步骤

• 预处理

  • 利用线性筛求出所有的质数以及每一个数的 \(\varphi\) 值

  • 对每一个筛出的质数，标记出所有 \(p^q\) 和 \(2p^q\) (别忘了\(2, 4\))

• 判断 \(n\) 是否有原根

• 求最小原根

  • 求出 \(\varphi(m)\) 的所有质因数 \(i\)，记录 \(m/i\) （记得将 \(1\) 也记录进去）

  • 枚举一个数 \(g\)，对于每一个记录的数 \(j = m/i\) 分别计算 \(g^j\)，如果\(i^j \equiv 1 \pmod m\) ，说明 \(i\) 不是原根 （这里再下文中有解释）

  • 重复第二部，直到找到一个原根 \(g\) 为止

• 求所有原根

  • 枚举 \(k \in [1, \varphi(m))\)

  • 如果 \(gcd(k, \varphi(m)) = 1\)，则 \(g^k\) 是一个原根，记录下他

解释：求最小原根的判断

为什么我们只需要枚举 \(m/i\) 就行了？

考虑我们将 \(m\) 分解成 \(m = i_1^{a_1} i_2^{a_2}\dots i_k^{a_k}\)

由于如果需要满足 \(i^j \equiv 1 \pmod p\)，一定有 \(j|\varphi(p)\)

那么对于 \(m/i = kj\)，一定有 \(i^{m/i}\equiv 1 \mod p\)

也就是说，所有 \(m/i\) 就包含了所有情况了

那么为什么要加上 \(1\) 呢，这就交给读者消化思考喽 ^_

参考代码如下：真的只供参考，这种写法特别慢

template<typename T>
inline T gcd(T x, T y) {
    T z;
    while (y) z = x % y, x = y, y = z;
    return x;
}

template<typename T>
inline T qpow(T a, T x, T p) {
    T r(1); a %= p;
    while (x) {
        if (x & 1) r = (r * a) % p;
        a = (a * a) % p, x >>= 1;
    }
    return r;
}

int phi[N], notp[N];
std::vector<int> prm;
void getPrm() {
    phi[1] = 1;
    for (int i = 2; i < N; ++i) {
        if (!notp[i]) prm.push_back(i), phi[i] = i - 1;

        for (const int &j : prm) {
            if (i * j >= N) break;
            notp[i * j] = true;
            if (i % j == 0) {
                // i | n && i^2 | n => phi(n) = phi(n / i) * i
                phi[i * j] = phi[i] * j; break;
            } else {
                // i | n && not i^2 | n => phi(n) = phi(n / i) * (i - 1)
                phi[i * j] = phi[i] * phi[j];
            }
        }
    } // end getPrm for
}

bool exists[N];
void getExists() {
    exists[2] = exists[4] = true;
    for (int i = 1; i < (int)prm.size(); ++i) {
        int p = prm[i];
        for (int q = p; q < N; q *= p) {
            exists[q] = true;
            if (q * 2 < N) exists[q * 2] = true;
        }
    }
    // printf("Exists init!\n");
}

void factorize(int x, vector<int> & v) {
    v.push_back(1);
    for (const int &p : prm) {
        if (p >= x) break;
        if (x % p == 0) v.push_back(x / p);
    }
}

void getAll(int p, vector<int> & v) {
    // no answer
    if (!exists[p]) return;

    int ph = phi[p];
    int fst, cur;
    vector<int> factors; factors.clear();
    factorize(ph, factors);

    // enum i which gcd(i, m) == 1
    // find first element i suit i^ph = 1 mod p
    for (int i = 1; ; ++i) {
        if (gcd(i, p) != 1) continue;
        // if (qpow(i, ph, p) != 1) continue;

        bool valid = true;
        // we need i only if i^ph = 1 mod p, not other numbers.
        for (auto &e : factors) {
            if (e != ph && qpow(i, e, p) == 1) {
                valid = false; break;
            }
        }

        if (valid) {
            fst = cur = i; break;
        }
    }

    for (int i(1); i <= ph; ++i) {
        if (gcd(i, ph) == 1) v.push_back(cur);
        cur = cur * fst % p;
    }
}

考虑模板可能有爆 int 的风险，请参考者合理使用 long long

这样通过 getAll 得出的 vector 是乱序的，需要再排序一次

\(O(1)\) 求解快速幂

对于一个比较小的模数 \(p \le 1e7\)，可以通过 \(O(p)\) 的预处理，然后 \(O(1)\) 的回答 \(x^k\)。

找到原根 \(g\) 是 naive 的，预处理 \(g^k\) 是 naive 的，所以预处理出 \(\log_g x\) 也是 naive 的。

发现 \(\log_g {x^k} = k \log_g x\)，于是我们只需要算 \(g^{k \log_g x}\) 即可。

由于 \(g^k\) 和 \(\log_g x\) 都预处理过了，所以可以 \(O(1)\) 算。

将模意义下乘法转换为对于指数的加法

例如 \(2024.01.15\text{dance}\) 就利用了这一点，将复杂度变为了 \(O(\frac {p^2}{w})\)。

其他小东西

• \(p - 1 \equiv g^{\frac {\varphi(p)}{2}}\)，也就是 \(p - 1\) 有二次剩余的（充要）条件为 \(4 \mid \varphi(p)\)，考虑 \(2\) 在 \(\bmod \varphi(p)\) 下没有逆元，因为 \(\gcd(2, \varphi(p)) = 2\)。例如 \(2024.01.16\text{coins}\)