ขั้นตอนวิธีโรห์ของพอลลาร์ด

ขั้นตอนวิธีโรห์ของพอลลาร์ด (Pollard's rho algorithm) เป็นขั้นตอนวิธีแบบสุ่มที่ใช้หาตัวประกอบของจำนวนประกอบที่มีค่ามาก โดยอาศัยคุณสมบัติของการหาร เพื่อให้หาตัวประกอบของเลขจำนวนนั้น ๆ ได้เร็ว ขั้นตอนวิธีนี้ จอห์น พอลลาร์ด (John Pollard) นำเสนอขึ้นในปี 1975 และต่อมา ริชาร์ด เบรนท์ (Richard Brent) ปรับปรุงในปี 1980

**แนวความคิดหลัก**
ขั้นตอนวิธีโรห์ของพอลลาร์ดมีพื้นฐานมาจาก ขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการเกิดวงวนของฟลอยด์ (:en:Floyd's cycle-finding algorithm) และ จากการสังเกตถึงคุณสมบัติของตัวเลขที่จะมีคุณสมบัติหนึ่ง ๆ เหมือนกัน ซึ่งคล้ายกับในปัญหาวันเกิด (:en:Birthday problem, :en:Birthday paradox) นั่นคือ หากต้องการหาตัวเลข 2 ตัว x และ y ที่มีคุณสมบัติหารด้วยตัวเลข p แล้วมีเศษเหลือเท่ากัน หรือ x สมภาคกับ y มอดุโล p (x congruent y modulo p) จะมีความน่าจะเป็นเท่ากับ 0.5 หลังจากสุ่มตัวเลขมาแล้ว  ตัว หากให้ p เป็น ตัวประกอบหนึ่งของ n เมื่อ n คือตัวเลขที่ต้องการหาตัวประกอบ จะได้ว่า  เนื่องจาก p หาร  และ  ลงตัว
ขั้นตอนวิธีโรห์ จะใช้ f ฟังก์ชันมอดุโล n สำหรับการสร้างลำดับตัวเลขสุ่มเทียม (:en:pseudo-random sequence) โดยลำดับทั้งสองจะมีความเร็วในการเลื่อนลำดับต่างกัน 2 เท่า กล่าวคือ ลำดับหนึ่งจะเลื่อนไป 2 ขั้น ในขณะที่อีกลำดับ จะเลื่อนไปเพียง 1 ขั้นเท่านั้น
หากให้ x และ y เป็นตัวแทนสำหรับตัวเลขในลำดับทั้ง 2 ในขณะหนึ่ง จะทำการหาค่า ห.ร.ม. (GCD) ของ  และ  โดยถ้าหาก ห.ร.ม. มีค่า
*เท่ากับ n จะทำให้ขั้นตอนวิธีนี้จบการทำงานลงด้วยความผิดพลาด เนื่องจาก ห.ร.ม. จะมีค่าเท่ากับ n ได้ เมื่อ x = y ซึ่งจาก ขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการเกิดวงวนของฟลอยด์ จะได้ว่า ลำดับที่สร้างได้พบกับวงวน และการทำงานในครั้งต่อ ๆ ไปก็จะเป็นการทำงานซ้ำเดิมกับงานที่เคยทำไปแล้ว
*เท่ากับ 1 แสดงว่า ยังหาตัวประกอบไม่เจอ ให้กลับไปเลือก x และ y จากลำดับตัวเลขสุ่มเทียมตัวต่อไป โดย xใหม่ = f(xเดิม) และ yใหม่ = f(f(yเดิม)) แล้วกลับไปทำแบบเดิมอีกครั้งหนึ่ง
*เท่ากับ ค่าอื่น ๆ แสดงว่า ค่าที่ได้นั้น คือตัวประกอบตัวหนึ่งของ n นั่นเอง

**ขั้นตอนวิธี**
นำเข้า: n, เป็นเลขจำนวนเต็มที่ต้องการหาตัวประกอบ; และ f (x), เป็นฟังก์ชันสุ่มเทียมมอดุโล n
ส่งออก: ตัวประกอบของ n, หรือพบข้อผิดพลาด (หาไม่เจอ)
# x ← 2, y ← 2; d ← 1
# While d = 1:
## x ← f (x)
## y ← f (f (y))
## d ← GCD (|x − y|, n)
# If d = n, return failure. (พบข้อผิดพลาด)
# Else, return d
หมายเหตุ: ขั้นตอนวิธีนี้อาจจะไม่พบตัวประกอบ และแจ้งว่าพบข้อผิดพลาดถึงแม้ว่า n จะเป็นจำนวนประกอบ สำหรับกรณีนี้ให้เปลี่ยน f (x) และลองทำอีกครั้ง
หมายเหตุ: ขั้นตอนวิธีนี้ไม่สามารถทำงานได้หาก n เป็นจำนวนเฉพาะ เนื่องจาก d จะเป็น 1 เสมอ

**การปรับปรุง**
ในปี 1980 ริชาร์ด เบรนท์ ได้ตีพิมพ์ผลงานที่เร็วกว่า เขาได้ใช้แนวความคิดหลักเช่นเดียวกับ พอลลาร์ด แต่แตกต่างกันในเรื่องของขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการเกิดวงวน โดยได้ใช้ วิธีการตรวจสอบการเกิดวงวนของเบรนท์ (Brent's cycle finding method) แทนขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการเกิดวงวนของฟลอยด์
การเพิ่มประสิทธิภาพในครั้งต่อมาถูกกระทำโดย พอลลาร์ด และเบรนท์ ทั้ง 2 ได้พบว่า ถ้า  แล้ว  สำหรับทุกๆจำนวนเต็มบวก b ใดๆ กล่าวโดยละเอียดคือ แทนที่จะคำนวณหา  ทุกๆขั้น, จะทำการกำหนดค่า z เป็นผลคูณของ พจน์  จำนวน 100 พจน์ที่ติดกัน มอดุโล n และคำนวณหา  เพียงหนึ่งครั้ง โดยความเร็วที่เพิ่มขึ้นนั้นได้จากการเปลี่ยน การหา ห.ร.ม. จำนวน 100 ครั้ง เป็นการ คูณ มอดุโล n จำนวน 99 ครั้ง และ การหา ห.ร.ม 1 ครั้ง
แต่ในบางครั้ง วิธีนี้อาจจะทำให้ขั้นตอนวิธีเกิดข้อผิดพลาดโดยการใช้ตัวประกอบที่ซ้ำกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อ n เป็นจำนวนเต็มกำลัง 2 แต่ก็สามารถจะแก้ไข้ได้โดยย้อนกลับไปที่จุดที่  แล้วใช้ ขั้นตอนวิธีโรห์ แบบปกติจากจุดนั้น

**การใช้งาน**
ขั้นตอนวิธีโรห์มักถูกนำไปใช้ในการหาตัวประกอบของจำนวนที่มีขนาดใหญ่ ที่ไม่สามารถหาได้อย่างรวดเร็วด้วยขั้นตอนวิธีแบบปกติ โดยเฉพาะจำนวนที่เกิดจากการนำจำนวนเฉพาะขนาดใหญ่สองตัวคูณกัน
ขั้นตอนวิธีโรห์จะใช้เวลาในการหาตัวประกอบได้อย่างรวดเร็วหากตัวประกอบนั้นมีค่าน้อย ตัวอย่างเช่น บนเครื่องที่มีความเร็ว 3 GHz ขั้นตอนวิธิโรห์ของพอลลาร์ดสามารถหาตัวประกอบ 274177 ของจำนวนแฟร์มาต์ลำดับที่ 6 (18446744073709551617) ในเวลา 26 มิลลิวินาที; ขั้นตอนวิธีโรห์ที่ถูกปรับปรุงโดยเบรนท์ สามารถหาตัวประกอบเดียวกันนี้ในเวลา 5 มิลลิวินาที แต่สำหรับจำนวนที่เกิดจากจำนวนเฉพาะสองตัวคูณกัน และที่มีความยาวเท่ากันกับจำนวนแฟร์มาต์ลำดับที่ 6 นั้น (10023859281455311421) การทำงานหาตัวประกอบบนเครื่องเดียวกัน ขั้นตอนวิธีโรห์ของพอลลาร์ดต้องใช้เวลาถึง 109 มิลลิวินาทีถึงจะพบตัวประกอบ ส่วนขั้นตอนวิธีโรห์ที่ถูกปรับปรุงใช้เวลา 31 มิลลิวินาที
สำหรับ f ฟังก์ชันตัวสุ่มเทียมมอดุโล n จะเลือกใช้ฟังก์ชัน พหุนาม พร้อมกับค่าคงที่จำนวนเต็ม c โดยรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุดคือ
 
ขั้นตอนวิธีโรห์มีความโดดเด่นจากความสำเร็จในการหาตัวประกอบของจำนวนแฟร์มาต์ลำดับที่ 8 โดย พอลลาร์ด และ เบรนท์ ซึ่งใช้เวลาทั้งหมด 2 ชั่วโมงบนเครื่อง UNIVAC 1100/42

**ตัวอย่างการหาตัวประกอบ**
ให้ n = 8051 และ f (x) = (x2 + 1) mod 8051
97 เป็นตัวประกอบของ 8051 สำหรับการเปลี่ยนค่า c อาจจะให้คำตอบเป็นตัวประกอบอีกตัวคือ 83 แทนที่จะเป็น 97

**อัตราการเติบโต**
ขั้นตอนวิธีแบบสุ่มนี้ต้องแลกเปลี่ยนระหว่างเวลาที่ใช้ในการค้นหา กับโอกาสที่จะค้นพบตัวประกอบ นั่นคือหากต้องการให้โอกาสที่จะค้นพบตัวประกอบนั้นมีค่าสูง ก็จะต้องใช้เวลามากขึ้น ถ้าหาก n เป็นผลคูณของจำนวนเฉพาะที่มีความยาวเท่ากัน แต่มีค่าแตกต่างกัน ระยะเวลาที่ใช้สำหรับขั้นตอนวิธีนี้ จะต้องสุ่มตัวเลขมา O (n1/4 polylog (n)) ครั้ง ถึงจะมีความน่าจะเป็นในการค้นพบตัวประกอบเท่ากับ 0.5 สำหรับพจน์ n1/4 นั้นก็มาจากที่ n เป็นผลคูณของจำนวนเฉพาะที่มีความยาวเท่ากัน ดังนั้น n1/2 ก็จะได้ค่าที่ใกล้เคียงกับจำนวนเฉพาะที่เป็นตัวประกอบของ n และจากที่ทราบว่า ความน่าจะเป็นในการพบตัวประกอบเท่ากับ 0.5 เมื่อสุ่มตัวเลขมาแล้ว  ตัว เมื่อ p คือตัวประกอบของ n ดังนั้นหากแทนค่า p ด้วย n1/2 ก็จะได้พจน์ n1/4 (หมายเหตุ: การวิเคราะห์นี้เป็นเพียงการประมาณโดยคร่าว ๆ สำหรับการวิเคราะห์อย่างละเอียด ยังรอให้พิสูจน์อยู่)

**สรุป**
ขั้นตอนวิธีโรห์ของพอลลาร์ดช่วยให้สามารถแยกตัวประกอบของจำนวนใหญ่ ๆ ได้อย่างรวดเร็ว โดยอาศัยขั้นตอนวิธีแบบสุ่ม (ใช้ฟังก์ชันสร้างลำดับตัวเลขสุ่มเทียม) ซึ่งทำได้ดีกว่าขั้นตอนวิธีตามปกติที่จะใช้เวลานานกว่ามาก แต่ก็ต้องพึงระวังว่าคำตอบที่บอกว่าไม่พบตัวประกอบนั้นอาจจะผิด เพราะมีโอกาสที่หาแล้วไม่พบ เนื่องจากสุ่มตัวเลขไม่มากพอที่จะเจอตัวประกอบนั้น การนำขั้นตอนวิธีโรห์ไปใช้จึงต้องเลือกให้ดีว่า อยากจะให้ทำงานได้เร็วแค่ไหน อยากจะให้โอกาสผิดน้อยขนาดไหนถึงยอมรับได้ ซึ่งเป็นสองสิ่งที่ต้องแลกเปลี่ยนกัน โดยสรุป ขั้นตอนวิธีโรห์นี้สามารถนำไปใช้งานในการแยกตัวประกอบได้จริง และมีประสิทธิภาพที่น่าประทับใจอีกด้วย

**อ้างอิง**
 url-status=dead - citation |last=Cormen |first=Thomas H. |authorlink=Thomas H. Cormen |last2=Leiserson |first2=Charles E. |authorlink2=Charles E. Leiserson |last3=Rivest |first3=Ronald L. |authorlink3=Ronald L. Rivest |last4=Stein |first4=Clifford |authorlink4=Clifford Stein |name-list-style=amp |chapter=Section 31.9: Integer factorization |title=Introduction to Algorithms |year=2001 |edition=Second |publisher=MIT Press |location=Cambridge, MA |isbn=0262032937 |pages=896–901  (this section discusses only Pollard's rho algorithm).- issn= 

**แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม**
 เอริก ดับเบิลยู. ไวส์สไตน์, " Prime Factorization Algorithms" จากแมทเวิลด์.- เอริก ดับเบิลยู. ไวส์สไตน์, " Pollard rho Factorization Method" จากแมทเวิลด์.- เอริก ดับเบิลยู. ไวส์สไตน์, " Brents Factorization Method" จากแมทเวิลด์.- เอริก ดับเบิลยู. ไวส์สไตน์, " Birthday Problem" จากแมทเวิลด์.

**ตัวอย่างเพิ่มเติม**
  ตัวอย่างในภาษาจาวา date=2009-03-27 -  ตัวอย่างในภาษาไพทอน-  ตัวอย่างโปรแกรมแสดงการหาตัวประกอบด้วยวิธีโรห์ของพอลลาร์ดด้วยภาษาจาวา date=2012-09-14 
หมวดหมู่:ขั้นตอนวิธีการแยกตัวประกอบจำนวนเต็ม