ปัญหาคอนกรูเอนซ์ของจำนวนเต็มยกกำลังสองมอดุโลเอ็น

ปัญหาคอนกรูเอนซ์ของจำนวนเต็มยกกำลังสองมอดุลโลเอ็น (Congruence of squares (mod n)) ในเรื่องทฤษฎีจำนวนนั้นได้ถูกนำมาใช้บ่อยครั้งในปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการแยกตัวประกอบของจำนวนเต็ม  โดยเริ่มต้นจากปัญหาที่ว่า "จงหาจำนวนเต็ม x, y ที่ทำให้สมการดังกล่าวเป็นจริง เมื่อกำหนดจำนวนเต็ม n" โดย
  
ซึ่งการใช้ขั้นตอนวิธีการแยกตัวประกอบของจำนวนเต็มของแฟร์มาต์ (Fermat's factorization method) โดยการพยายามแยกตัวประกอบของ n ในรูปแบบ n = x2 − y2 = (x + y) (x − y) นั้น ต้องใช้เวลาที่ยาวนานมากในการค้นหาคำตอบ เพราะต้องค้นหาคำตอบที่เป็นไปได้เป็นจำนวนมาก และมีตัวเลขที่อาจเป็นคำตอบได้จริงน้อยมาก ในทางปฏิบัติจึงไม่นิยมใช้ แต่จะอาศัยการแยกตัวประกอบจากปัญหาที่ง่ายกว่า ซึ่งคือ ปัญหาคอนกรูเอนซ์ของจำนวนเต็มยกกำลังสองมอดุลโลเอ็น ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้ 
      
และเพิ่มข้อกำหนดว่า  เพื่อจำกัดปริมาณชุดคำตอบที่ได้ให้อยู่ในขอบเขตที่ต้องการ

**ขั้นตอนวิธีการแก้ปัญหา**
จากสมการ  จะได้ว่าเราสามารถเปลี่ยนรูปของปัญหาดังนี้    
: 
:  
ซึ่งหมายความว่า   สามารถหาร  ลงตัว แต่ด้วยข้อกำหนดที่ว่า   จึงจะได้ว่า หรือ  ไม่สามารถหารด้วย n ลงตัวได้เพียงตัวใดตัวหนึ่ง โดยอาจใช้วิธีการแก้ปัญหา ดังนี้         

1. ใช้วิธีการหาตัวหารร่วมมากโดยวิธีการของยูคลิด ซึ่งในที่นี้  แทนตัวหารร่วมมากของ a และ b จากที่กล่าวไปดังข้างต้น จึงสามารถอธิบายได้ว่า  และ  ต้องมีตัวประกอบทุกตัวของ n หรือสามารถอธิบายได้ว่า  โดย k คือจำนวนเต็มบวกตัวหนึ่ง โดยเราจะพิจารณา  ที่เป็นจำนวนเต็มบวกมีค่าอยู่ระหว่าง  ถึง  และทำการค้นหา y ที่เป็นจำนวนเต็มบวกทั้งหมดที่ทำให้ x+y เป็นตัวประกอบ และทำการตรวจสอบว่าค่าของ (x-y, n) ว่ามีค่าสอดคล้องตามที่ต้องการหรือไม่ โดยวิธีการหาตัวหารร่วมมากโดยขั้นตอนวิธีการของยูคลิด (Euclidean algorithm) ดังนี้
ในการหาตัวหารร่วมมากระหว่าง a และ b โดยกำหนด a > b จะมีวิธีการหาตัวหารร่วมมากดังนี้ โดยมีข้อกำหนดว่า ทุก ๆ ขั้นตอนที่ k ใด ๆ (k คือ 0 หรือ จำนวนเต็มบวกใด ๆ)    rk−2 = qk rk−1 + rk ซึ่ง (0≤ rk,         qk  ±  โดย qk จะมีเครื่องหมายเป็นลบเมื่อ a เป็นจำนวนเต็มบวก และ b เป็นจำนวนเต็มลบ หรือ a เป็นจำนวนเต็มลบ และ b เป็นจำนวนเต็มบวก) โดยจะมีขั้นตอนการดำเนินการดังนี้
 a = q0 b + r0 
 b = q1 r0 + r1
 r0 = q2 r1 + r2
 r1 = q3 r2 + r3
 …
rn-2 = qn rn-1 
จากสมการข้างต้นจะได้ qn =  ซึ่งจะเห็นได้ว่า จะสามารถตรวจคำตอบได้อย่างรวดเร็วซึ่งใช้เวลาไม่เกิน O(h) โดย h เป็นจำนวนหลักของ b ที่เป็นจำนวนที่น้อยกว่า a จากข้อกำหนด ซึ่ง h =  + 1 (โดย k= log10(b))
2. ทำการค้นหา   โดยค้นหา x ที่มีค่าระหว่าง  ถึง n แล้วทำการตรวจสอบค่า z ที่ได้ว่า  เป็นจำนวนเต็มหรือไม่ ถ้าเป็นจำนวนเต็มก็จะกำหนดให้  แล้วทำการตรวจสอบตัวหารร่วมมากระหว่าง (x-y) และ (x+y) ว่าตรงตามเงื่อนไขที่กำหนดหรือไม่ ตัวอย่างเช่น กำหนดให้ n = 35 จงหาจำนวนเต็มบวก x,y ที่ทำให้  จะได้ว่าทำการค้นหาค่า x ตั้งแต่ 6 ถึง 35 แต่ได้พบว่าเมื่อ x = 6 จะได้ว่า
เพราะฉะนั้นจะได้ว่า x = 6, y = 1 เป็นคำตอบหนึ่งของสมการ ซึ่งจากการตรวจสอบ (6-1, 35) = 5 และ (6+1, 35) = 7 ซึ่งจะพบว่าตรงตามเงื่อนไขที่ได้กำหนดไว้ จึงถือว่า x=6, y=1 เป็นคำตอบหนึ่งของสมการนี้

**รหัสเทียมและประสิทธิภาพการทำงาน**
จากแนวคิดขั้นตอนวิธีการแก้ปัญหาข้างต้น จะพบว่า ถ้าจะทำการเขียนรหัสเทียม (Pseudocode) เพื่อแสดงขั้นตอนการทำงานที่เกิดขึ้น หรือเป็นการแสดงขั้นตอนเบื้องต้นที่เกิดขึ้นในการใช้คอมพิวเตอร์ในการดำเนินการแก้ไขปัญหานั้น จะสามารถแสดงขั้นตอนต่าง ๆ เป็นรหัสเทียมได้ดังนี้
:รหัสเทียมเพื่อการค้นหาตัวหารร่วมมาก
function gcd(a, b)
:while b ≠ 0
:begin
::t := b
::b := a mod b
::a := t
:end
:return a
จากรหัสเทียมข้างต้น function gcd จะทำการหาค่าของตัวหารร่วมมากระหว่าง a และ b แล้วทำการคืนค่าตัวหารร่วมมากกลับมาจากการเรียกใช้ function โดยจะเสียเวลาทำงานไม่เกิน O(h)  โดย h เป็นจำนวนหลักของ b ที่เป็นจำนวนที่น้อยกว่า a จากข้อกำหนด ซึ่ง h =  + 1 (โดย k= log10(b)) ตามที่ได้กล่าวไปแล้วข้างต้น ซึ่งเมื่อนำไปใช้ต่อไปในขั้นตอนการแก้ปัญหาต่อไปในรูปแบบที่นำเสนอไปดังข้างต้น ซึ่งอาจเขียนเป็นรหัสเทียมได้ดังนี้ 
สำหรับรหัสเทียมต่อไปนี้จะเป็นการนำไปใช้ต่อเพื่อหาผลลัพธ์ในรูปแบบที่ 1.
function csquare(n)
:x = ceil(sqrt(n))    
::while x  1)
::::  begin
:::::  if (gcd(x-y,n) * gcd(x+y,n) mod n == 0)  
:::::  begin   
::::::  print(x)        print(y)  break
:::::  end
:::: end
:::: y:=y+1
:::  end
::x := x+1
:: end
จากรหัสข้างต้น สามารถอธิบายได้ดังนี้ โดยเริ่มต้นนั้นกำหนดค่าให้ x=  เพื่อจะได้ทำการค้นหาในช่วง  ถึง n  ตามต้องการ แล้วจึงทำการทดสอบค่า y ที่เป็นไปได้ทั้งหมดซึ่งเป็นจำนวนเต็มบวก (ตั้งแต่ 1 ถึง x) ซึ่งถ้าพบว่าตรงตามเงื่อนไขที่ต้องการก็จะแสดงคำตอบและหยุดการทำงานทันทีเมื่อพบคำตอบชุดหนึ่งแล้ว ซึ่งจะทำให้เสียเวลาการทำงานรวมทั้งสิ้นจากการทำวงวนภายนอก Θ (n) และกระบวนการทำงานภายในที่ต้องวิ่งแปรผันตามค่า x รวมทั้งสิ้น O(x) จึงเสียเวลา O() และเมื่อคำนึงถึงการเรียกใช้ function gcd ที่มีภาระเป็น O(log n) แล้ว จึงได้ว่ากระบวนการทำงานตามรหัสเทียมดังกล่าวจะใช้เวลาในการทำงานรวมทั้งสิ้น O( log(n)) 
สำหรับรหัสเทียมต่อไปนี้จะเป็นการนำไปใช้ต่อเพื่อหาผลลัพธ์ในรูปแบบที่ 2.
function csquare(n)
:x = ceil(sqrt(n))    
::while x <= n
::begin
:::   z := (x*x) mod n  
:::   if (sqrt(z) is integer)
::: begin
:::   y := sqrt(z)
:::::  if (gcd(x-y,n) * gcd(x+y,n) mod n == 0)  
:::::  begin   
::::::  print(x)        print(y)  break
:::::  end
:::: end
::x := x+1
::end
จากรหัสข้างต้น สามารถอธิบายได้ดังนี้ โดยเริ่มต้นนั้นกำหนดค่าให้ x=  เพื่อจะได้ทำการค้นหาในช่วง  ถึง n ตามต้องการ เช่นเดียวกับรูปแบบที่ 1. แล้วจึงทำการหาค่า z โดย  โดยทำการทดสอบว่า  เป็นจำนวนเต็มหรือไม่ โดยถ้าเป็นจำนวนเต็มจะกำหนดให้ y =  แล้วจึงทำการตรวจคำตอบโดยการตรวจสอบตัวหารร่วมมากของ (x+y, n) และ (x-y, n) ว่าเป็นไปตามเงื่อนไขที่ได้กำหนดหรือไม่ ซึ่งถ้าพบว่าตรงตามเงื่อนไขที่ต้องการก็จะแสดงคำตอบและหยุดการทำงานทันทีเมื่อพบคำตอบชุดหนึ่งแล้ว ซึ่งจะทำให้เสียเวลาการทำงานรวมทั้งสิ้นจากการทำวงวน Θ (n) และเมื่อคำนึงถึงการเรียกใช้ function gcd ที่มีภาระเป็น O(log n) แล้ว จึงได้ว่ากระบวนการทำงานตามรหัสเทียมดังกล่าวจะใช้เวลาในการทำงานรวมทั้งสิ้น O(n log(n)) ซึ่งจะเห็นได้ว่าอาจทำงานเร็วกว่ารูปแบบที่ 1. แต่ก็จะใช้หน่วยความจำที่มากกว่าเพราะต้องคำนวณ  mod n

**ปัญหาที่เกี่ยวข้อง**
สำหรับ ปัญหาคอนกรูเอนซ์ของจำนวนเต็มยกกำลังสองมอดุลโลเอ็น นั้น โดยวิธีการแก้ปัญหาที่ได้นำเสนอนั้น เป็นวิธีการพื้นฐานเท่านั้น ซึ่งได้มีผู้พัฒนาวิธีการแก้ปัญหาดังกล่าวเพื่อให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นในทางปฏิบัติ เช่น 
วิธีการแยกตัวประกอบแบบดิกซ์ซัน (Dixon's factorization method) รวมถึงเป็นพื้นฐานในการแก้ไขปัญหาอื่น ๆ อีกมากที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีจำนวน เช่น ปัญหาตะแกรงกำลังสอง (Quadratic sieve), ปัญหาตะแกรงของจำนวนเต็มใด ๆ (General number field sieve) เป็นต้น

**เพิ่มเติม**
สำหรับนิยามสัญกรณ์เชิงเวลาที่ได้ใช้เพื่อประเมินประสิทธิภาพเชิงเวลา เช่น สัญกรณ์โอใหญ่ (Big O-notation) รวมถึง  ความรู้เกี่ยวกับสัญกรณ์เชิงเวลาในรูปแบบภาพยนตร์เพื่อการศึกษาภาษา ซึ่งสามารถค้นคว้าเพิ่มเติมได้ทั้งในรูปแบบของภาพยนตร์เพื่อการศึกษาและบทความเพื่อความเข้าใจ รวมถึงข้อมูลอื่น ๆ เพื่อประกอบการแก้ปัญหานั้น เช่น บทความทางด้านความรู้ต่าง ๆ เกี่ยวข้องกับทฤษฎีจำนวน เช่น ความรู้ที่เกี่ยวข้องกับเลขคณิตมอดุลาร์ (Modular arithmetic) รวมถึงความสัมพันธ์ในรูปแบบคอนกรูเอนซ์ (Congruence relation) และสัญลักษณ์ต่าง ๆ ที่ใช้ในการเขียนรหัสเทียม รวมถึงหลักภาษาในการเขียนรหัสเทียมเพื่อบรรยายขั้นตอนวิธีเพื่อการทำงานตามความต้องการ สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในบทความ   How to write Pseudocode  (ในรูปแบบ .doc) รวมถึง รวมถึงความรู้เพื่อประกอบความเข้าใจอื่น ๆ ซึ่งสามารถพบได้ในส่วนของอ้างอิง

**อ้างอิง**
หนังสือประกอบการอ้างอิง
# cite book|author =  ณรงค์ ปั้นนิ่ม | year = 2004 | title = ทฤษฎีจำนวน | publisher = โครงการตำราวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ มูลนิธิส่งเสริมโอลิมปิกวิชาการและพัฒนามาตรฐานวิทยาศาสตร์ศึกษา | edition = 1st | isbn = 9-749-22351-9 .
# cite book|author =  Kenneth H. Rosen  | year = 2005 | title = Elementary number theory and its applications |url =  https://archive.org/details/elementarynumber0000rose_s3i9 | publisher = Pearson/Addison Wesley | edition = 5th | isbn = 0-321-26314-6 .
หมวดหมู่:ขั้นตอนวิธีการแยกตัวประกอบจำนวนเต็ม
หมวดหมู่:เลขคณิตมอดุลาร์