本系列文章将于2021年整理出版，书名《算法竞赛专题解析》。
前驱教材：《算法竞赛入门到进阶》 清华大学出版社
网购：京东 当当 想要一本作者签名书？点我
如有建议，请加QQ 群：567554289，或联系作者QQ：15512356
本文在公众号同步，阅读更方便：算法专辑
公众号还有暑假福利，免费连载作者的书：胡说三国
任何一个正整数(n)都可以唯一分解为有限个素数的乘积：(n = p_1^{c_1}p_2^{c_2}...p_m^{c_m})，其中(c_i)都是正整数，(p_i)都是素数且从小到大。
质因数分解有重要工程意义。在密码学中，需要对高达百位以上的十进制数分解质因子，因此发明了很多高效率的方法[1]。不过，大数的质因子分解是个难题，比寻找大素数要难得多，密码算法RSA就利用了大数难以分解的原理。
1、用试除法分解质因子
分解质因子也可以用前面提到的试除法。求(n)的质因子：
（1）第一步，求最小质因子(p_1)。逐个检查从2到(sqrt n)的所有素数，如果它能整除n，就是最小质因子。然后连续用(p_1)除(n)，目的是去掉(n)中的(p_1)，得到(n_1)。
（2）第二步，再找(n_1)的最小质因子。逐个检查从(p_1)到(sqrt {n_1})的所有素数。从(p_1)开始试除，是因为(n_1)没有比(p_1)小的素因子，而且(n_1)的因子也是(n)的因子。
（3）继续以上步骤，直到找到所有质因子。
最后，经过去除因子的操作后，如果剩下一个大于1的数，那么它也是一个素数，是(n)的最大质因子。这种情况可以用一个例子说明。大于(sqrt n)的素数也可能是(n)的质因子，例如6119 = 29*211，找到29后，因为29 ≥ (sqrt {211})，说明211是素数，也是质因子。
试除法的复杂度是(O(sqrt n))，效率很低。不过，在算法竞赛中，数据规模不大，所以一般就用试除法。
下面是试除法的代码[2]。因为试除法的效率不高，所以(n)用int型，没有用long long。
int p[20]; //p[]记录因子，p[1]是最小因子。一个int数的质因子最多有10几个
int c[40]; //c[i]记录第i个因子的个数。一个因子的个数最多有30几个
void factorization(int n){
int m = 0;
for(int i = 2; i*i <= n; i++)
if(n%i == 0){
p[++m] = i, c[m] = 0;
while(n%i == 0) //把n中重复的因子去掉
n/=i, c[m]++;
}
if(n>1) //没有被除尽，是素数
p[++m] = n, c[m] = 1;
}
2、用Pollard_rho启发式方法分解质因子
试除法的复杂度是(O(sqrt n))，也就是说，对到(B)的整数进行试除，可以完全获得到(B^2)的任意数的因子分解；用本节的pollard_rho算法，用同样的工作量，可以对到(B^4)的数进行因子分解[3]。需要指出的是，pollard_rho算法也仍然是一种低效的方法，比试除法好一点点，只能在算法竞赛的小规模数据中用用。
思考一个问题：如何快速找到一个大数的因子？不能像试除法那样从小到大一个个检查，太慢了。可以挑一些数来“试”，运气好说不定就碰到一个。这就是pollard_rho算法的思路，它使用了一个“随机”的方法来找。算法的主要内容只有2个：
（1）“随机”函数。实际上不是随机，而是一个启发函数：(x_i = (x_{i-1}^2 + c) mod n)，其中(x)的初值(x_1)和(c)是随机数。计算的结果是生成了一个(x)序列，这个序列的前一部分(x_1，x_2，...，x_{j-1})不重复，后面的(x_j，x_{j+1}，...，x_i)会重复并形成回路。rho指希腊字母"(
ho)"，不重复的序列是(
ho)的“尾巴”，重复的回路是(
ho)的“身体”。
（2）计算(n)的一个因子。计算(d = gcd(y - x_i, n))，其中y是第(2^k)个(x)，即第1、2、4、8、...个，见上图中划线的(x)。如果d ≠ 1且d ≠ n，d就是n的一个因子，原因很简单，gcd是求最大公约数，所以d肯定是n的因子。
从上面的描述可以看出，pollard_rho算法极为简单，读者可能怀疑它是否真的有效。确实，在一次(x)序列中，很可能计算不出因子，需要多次“随机”的(x)序列才能算出一个因子。令人惊讶的是，这个算法的效果还不错，它可以用(O(sqrt p))次计算找到(n)的一个小因子(p)。
pollard_rho的编码非常简单，见下面代码中的pollard_rho()函数。由于执行一次pollard_rho()只返回一个因子，要得到所有的因子，需要再写一个findfac()函数多次调用pollard_rho()，递归求得所有素因子。
//poj 1811题：输入一个整数n,2<=N<2^54，判断它是否为素数，如果不是，输出最小素因子。
typedef long long ll;
ll Gcd (ll a,ll b){ return b? Gcd(b, a%b):a;}
ll pollard_rho (ll n){ //返回一个因子，不一定是素因子
ll i=1, k=2;
ll c = rand()%(n-1)+1;
ll x = rand()%n;
ll y = x;
while (true){
i++;
x = (mult_mod(x,x,n)+c) % n; //mult_mod(x,x,n)功能是(x*x) mod n
ll d = Gcd(y>x?y-x:x-y, n); //重要：保证gcd的数大于等于0
if (d!=1 && d!=n) return d; //算出一个因子
if (y==x) return n; //已经出现过，直接返回
if (i==k) { y=x; k=k<<1;}
}
}
void findfac (ll n){ //找所有的素因子
if (miller_rabin(n)) { //用miller_rabin判断是否为素数
factor[tol++] = n; //存素因子
return;
}
ll p = n;
while (p>=n)
p = pollard_rho(p); //找到一个因子
findfac(p); //继续寻找更小的因子
findfac(n/p);
}