Lucas-Test (Mathematik)
Der Lucas-Test ist eine Weiterentwicklung des Fermatschen Primzahltests durch den Mathematiker Édouard Lucas. Der Test wurde in den 1950er Jahren von Derrick Henry Lehmer und später nochmals von John Brillhart und John L. Selfridge verbessert. Er sollte nicht mit dem Lucas-Lehmer-Test für Mersenne-Zahlen verwechselt werden.
Fermatscher Primzahltest
BearbeitenGegeben sei eine natürliche Zahl , für die man prüfen möchte, ob sie prim ist. Nach dem fermatschen Primzahltest ist keine Primzahl, wenn folgende Bedingung für eine zu teilerfremde Zahl mit zutrifft:
Der Fermat-Test liefert also niemals die Aussage, dass eine Zahl prim ist, sondern kann nur das Prim-Sein ausschließen. Für die Carmichael-Zahlen liefert der Fermat-Test keine Aussage.
Lucas-Test
BearbeitenIm Jahr 1876 gelang Édouard Lucas folgende Umkehrung des kleinen fermatschen Satzes:
(Vorläufer des Lucas-Tests) Eine natürliche Zahl ist genau dann eine Primzahl, wenn es ein mit gibt, für das
sowie
für alle natürlichen Zahlen gilt.
Dieses Ergebnis lässt sich nur schwer anwenden, da so viele geprüft werden müssen. Im Jahr 1891 verbesserte Lucas den Satz und erhielt den nach ihm benannten Primzahltest:
(Lucas-Test) Eine natürliche Zahl ist genau dann eine Primzahl, wenn es ein mit gibt, für das
sowie
für alle echten Teiler von gilt.[1]
Da hier nur noch die Teiler von getestet werden müssen, sind erheblich weniger Rechenschritte nötig. Ein Nachteil ist jedoch, dass man die Primfaktorzerlegung von kennen muss. muss also faktorisiert werden. Für Zahlen mit einem besonderen Aufbau ist diese Methode aber sehr effizient, so zum Beispiel bei Zahlen der Form .
Ist die Bedingung des Lucas-Tests für eine Basis nicht erfüllt, so folgt nicht, dass die Zahl zusammengesetzt ist. Dafür müsste man nämlich alle Basen prüfen.
Beispiel:
Für die Zahl gilt . Die echten Teiler von sind und . Weiter gilt und . Es folgt, dass eine Primzahl ist.
Erweiterungen von Lehmer, Brillhart und Selfridge
BearbeitenDerrick Henry Lehmer fand 1953 den verbesserten Lucas-Test. Im Jahr 1967 wurde eine weitere Version (flexibler Lucas-Test) von John Brillhart und John L. Selfridge entdeckt.
Verbesserter Lucas-Test
BearbeitenDer verbesserte Lucas-Test beruht auf folgender Eigenschaft:
ist genau dann eine Primzahl, wenn es eine natürliche Zahl mit gibt, für die
sowie
für alle Primfaktoren von gilt.
Die Anwendung dieses Tests auf Fermat-Zahlen wird mit Pépin-Test bezeichnet.
Flexibler Lucas-Test
BearbeitenDer flexible Lucas-Test beruht auf folgender Eigenschaft:
Für die natürliche Zahl sei die Primfaktorzerlegung von gegeben durch
- .
Dann gilt: ist genau dann eine Primzahl, wenn es zu jedem Primfaktor eine natürliche Zahl mit gibt, für die
sowie
gilt.[2]
Beispiel
BearbeitenWir betrachten die Primzahl . Die Vorgängerzahl hat die Primteiler und . Die folgende Tabelle zeigt dazu passende und wie die Bedingungen erfüllt werden:
q | a | an-1 ≡ 1 (mod n) | a(n-1)/q ≢ 1 (mod n) |
---|---|---|---|
2 | 7 | 7910 ≡ 1 (mod 911) | 7910/2 ≡ -1 (mod 911) |
5 | 3 | 3910 ≡ 1 (mod 911) | 3910/5 ≡ 482 (mod 911) |
7 | 2 | 2910 ≡ 1 (mod 911) | 2910/7 ≡ 568 (mod 911) |
13 | 2 | 2910 ≡ 1 (mod 911) | 2910/13 ≡ 577 (mod 911) |
Pratt Primzahltest
BearbeitenDer Pratt-Test ist ein iterierter Lucas-Test.[3][4] Für alle Primfaktoren von wird wiederum geprüft, ob diese Primzahlen sind.
Fermat-Paar
Bearbeitenist ein Fermat-Paar, falls
Pratt-Sequenz
Bearbeitenist eine Pratt-Sequenz, wenn für jedes Fermat-Paar aus der Sequenz gilt, dass für jeden Primfaktor von ein Fermat-Paar in der Prattsequenz enthalten ist und es gilt:
Für jede Primzahl gibt es eine Pratt-Sequenz in der Länge der Darstellung der Primzahl, weshalb .
Beispiel
BearbeitenFür ist folgendes eine Mögliche Pratt-Sequenz
zu Überprüfen ist nun noch, ob und danach, ob für die Primteiler von gilt,
Literatur
Bearbeiten- Paulo Ribenboim: Die Welt der Primzahlen. Geheimnisse und Rekorde. Springer, Berlin u. a. 2006, ISBN 3-540-34283-4 (Springer-Lehrbuch).
- John Brillhart, D. H. Lehmer, J. L. Selfridge: New Primality Criteria and factorizations of . In: Mathematics of Computation. 29, 1975, ISSN 0025-5718, S. 620–647, online (PDF; 2,14 MB).
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Beweise hierzu: siehe Ribenboim, Die Welt der Primzahlen, Seite 40.
- ↑ Zum Beweis dieses und des vorigen Satzes siehe Ribenboim, Die Welt der Primzahlen, Seite 42.
- ↑ Daniela Steidl: Primzahlzertifikat von Pratt. 17. April 2008, abgerufen am 7. Mai 2020.
- ↑ apl. Prof. Dr. Klaus Reinhardt: Pratt Primzahlentest. Abgerufen am 7. Mai 2020 (deutsch, englisch).