폴라드 로 알고리즘

**폴라드 로 알고리즘**()은 존 폴라드가 1975년에 고안한 소인수분해 알고리즘이다. 이 알고리즘은 저장 공간을 적게 사용하고 소인수분해하는 데 걸리는 실행 시간은 소인수분해하려는 합성수의 가장 작은 소인수의 제곱근에 비례하는 알고리즘이다.

## 핵심 개념
소인수분해하려는 숫자 n = pq에서, p는 자명하지 않은 인수(1이 아닌 인수)라고 가정한다. 다항식을 n으로 나누는 연산 g(x) (예: g(x) = (x^2 + 1) \bmod n)는 유사난수 수열을 생성할 때 사용되는데, 이때 시작값을 적당히 2로 설정하면 수열은 x_1 = g(2), x_2 = g(g(2)), x_3 = g(g(g(2)))의 형태로 생성된다. 이 수열은 다른 수열 \{x_k \bmod p\}과 관련이 있으나 p가 사전에 주어지지 않았기 때문에 두 번째 수열은 이 알고리즘에서 계산할 수는 없다. 여기서 첫 번째 수열과 두 번째 수열의 관계가 폴라드 로 알고리즘의 핵심 아이디어이다.

이 수열에 나오는 수의 개수가 유한하기 때문에, n의 나머지인 수열 \{x_k\}와 \{x_k \bmod p\}는 언젠가 반복이 된다. 이 수열을 완전한 난수라고 가정하면, 생일 역설 (Birthday Paradox)에 의해 이 수열이 반복되기 전까지 나오는 서로 다른 x_k의 개수는 대략 O(\sqrt N)이며, 이 때 N은 가능한 값의 개수이다. 따라서 수열 \{x_k \bmod p\}은 수열 \{x_k\}보다 먼저 반복된다. 각각의 값은 수열의 이전에 나온 값에 의해서만 결정되기 때문에, 한 번 수열이 반복되면 수열은 계속 순환하게 된다. 이렇게 최종적으로 순환하게 되는 구조는 x_1 \bmod p, x_2 \bmod p, 등의 값을 가지며 이 값들을 유향 그래프의 꼭짓점으로 표현하면 그리스 문자 ρ처럼 생겼기 때문에 "폴라드 로 알고리즘"이라는 이름이 붙게 되었다.

썸네일|그리스 문자 ρ를 닮은 순환 그래프

위 수열에서 나오는 반복은 플로이드 순환 찾기 알고리즘으로 찾는다. 먼저, 두 수 i와 j (즉, x_i와 x_j)를 정한다. 매 단계마다 하나는 수열의 다음 수로 이동하고, 다른 하나는 두 번 이동한다. 그리고 \gcd(x_i - x_j, n) \ne 1인지를 검사한다. 만약 1이 아니라면 수열 \{x_k \bmod p\}는 반복이 된다는 것을 의미한다 (즉, x_i \bmod p = x_j \bmod p이다). 이러한 경우는 x_i가 x_j와 같거나, x_i와 x_j의 차이가 p의 배수여야 한다. 결국 이러한 경우가 반드시 생기기 때문에, 결과값인 최대공약수(GCD)는 1이 아닌 n의 약수이며, 여기서 두 수열이 동시에 순환할 수 있기 때문에 알고리즘의 결과값이 n 자신이 될 수도 있다. 이러한 경우에는 알고리즘이 소인수를 찾는 데 실패하며, 다른 초기값으로 실행하거나 다른 알고리즘 (타원곡선 방법 (ECM) 등)을 사용할 수도 있다.

## 알고리즘
이 알고리즘은 인수분해 하려는 정수 과 에 대한 다항식을 으로 나눈 나머지인 연산 를 입력으로 받는다. 폴라드가 만든 원래 알고리즘에서는 g(x) = (x^2 - 1) \bmod n이었지만, 최근에 사용할 때에는 보통 g(x) = (x^2 + 1) \bmod n을 더 많이 사용한다. 출력값으로는 의 자명하지 않은 소인수이거나 '실패'이며, 폴라드 로 알고리즘은 다음의 단계를 따라 실행된다:

     x ← 2
     y ← 2
     d ← 1

     **while** d = 1:
         x ← g(x)
         y ← g(g(y))
         d ← gcd(|x - y|, n)

     **if** d = n:
         **return failure**
     **else**:
         **return** d

이 때 와 는 각각 핵심 개념 문단의 와 에 대응한다. 이 알고리즘은 이 합성수일 경우에도 자명하지 않은 인수를 찾는데 실패할 수 있다는 점을 주의해야 한다. 이러한 경우, 시작 값으로 2가 아닌 다른 값을 이용하거나 다른 를 이용하여 다시 수행할 수 있다.

## 소인수분해 예제
먼저 n = 8051, 그리고 g(x) = (x^2 + 1) \bmod 8051이라고 가정했을 때,

97은 8051의 자명하지 않은 인수이다. 시작값으로 가 아닌 다른 값을 이용하면 97이 아닌 다른 인수 (83)을 얻을 수 있다. 는 보다 두 배 더 빠르게 수열의 값이 변한다는 것을 나타내기 위해 한 단계를 더 나타내었다. 참고로, 이 알고리즘은 최대공약수가 1 이상이 나온 후 다시 이 과정을 반복하는 경우 1이 다시 나올 수도 있다.

## 변형
리차드 브렌트는 1980년에 이 알고리즘을 조금 더 효율적으로 바꾼 폴라드 로 알고리즘을 발표했다. 브랜트의 알고리즘은 폴라드 로 알고리즘과 핵심 개념은 같지만 반복을 만들어 소인수를 얻어내는 방법이 플로이드 순환 검출 알고리즘에서 브렌트 순환 검출 방법으로 바꾸어 개량한 알고리즘이다.

폴라드와 브렌트는 이 알고리즘을 더욱 개선했다. 이들은 \gcd (a,n) > 1일 경우, 모든 양의 정수 에 대하여 \gcd (ab,n) > 1인 것을 이용하였다. 그 예시로 모든 단계에서 \gcd (|x-y|,n)을 계산하는 대신, 를 100개의 연속한 |x-y|의 곱을 으로 나눈 나머지로 정의하고 \gcd (z,n)을 계산하는 방법 등으로 원래 알고리즘에 비해 속도를 개선하였다. 이 방법이 속도를 증가시키는 이유는 최대공약수를 구하는 연산을 100번 반복하던 것을 곱을 이용하여 으로 나눈 나머지 99번과 최대공약수를 구하는 연산을 1번씩만을 계산하도록 바꾸었기 때문이다. 이 방법은 가끔씩 이 소수의 제곱수 같은 약수를 포함하고 있을 때에는 알고리즘이 실패할 수도 있는데, 그럴 경우에는 \gcd(z,n)=1인 수열의 항으로 돌아가서 다시 일반적인 폴라드 로 알고리즘을 실행해도 충분히 그 소인수를 얻어낼 수 있다.

## 적용
폴라드 로 알고리즘은 타원곡선 방법 비슷하게과 작은 인수를 가진 수의 경우에는 매우 빠르지만 모든 인수가 클 경우에는 느리다. 폴라드 로 알고리즘의 가장 주목할 만한 성과는 페르마 수 을 소인수분해한 것이다:  = 1238926361552897 * 93461639715357977769163558199606896584051237541638188580280321. 소인수  = 1238926361552897은 다른 인수에 비해 훨씬 작았기 때문에 ρ 알고리즘은 을 소인수분해 하기에 적절하였고, 소인수분해 과정은 UNIVAC 1100/42에서 2시간이 걸렸다. 또한 이 알고리즘은 소인수분해하고 싶은 수의 비교적 작은 소인수들을 얻어내는 데 많이 쓰인다.

## = 10403 = 101 · 103 인 예제
다음은 또다른 변형 알고리즘으로, 한 수열만 계산하며 수열을 반복하여 계산할 때마다 최대공약수를 계산한다.

### C 코드 예제
다음 예제 코드는 시작값  = 2로 10403의 인수 101을 찾는다.

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int gcd(int a, int b)
{
    int remainder;
    while (b != 0) {
        remainder = a % b;
        a = b;
        b = remainder;
    }
    return a;
}

int main (int argc, char *argv[])
{
    int number = 10403, loop = 1, count;
    int x_fixed = 2, x = 2, size = 2, factor;

    do {
        printf("----   loop %4i   ----\n", loop);
        count = size;
        do {
            x = (x * x + 1) % number;
            factor = gcd(abs(x - x_fixed), number);
            printf("count = %4i  x = %6i  factor = %i\n", size - count + 1, x, factor);
        } while (--count && (factor == 1));
        size *= 2;
        x_fixed = x;
        loop = loop + 1;
    } while (factor == 1);
    printf("factor is %i\n", factor);
    return factor == number ? EXIT_FAILURE : EXIT_SUCCESS;
}
```

위의 코드는 알고리즘이 진행되는 것을 중간값으로 표시한다.
출력의 마지막 행은 "factor is 101"이다. 이 코드는 x를 제곱할 때 정수 자료형에서 오버플로우가 일어날 수 있어 테스트 값이 작은 경우에만 적용된다.

### Python 코드 예제

```python
from itertools import count
from math import gcd

number, x = 10403, 2

for cycle in count(1):
    y = x
    for i in range(2 ** cycle):
        x = (x * x + 1) % number
        factor = gcd(x - y, number)
        if factor > 1:
            print("factor is", factor)
            exit()
```


### 결과
다음의 표에서 세번째와 네번째 열은  = 10403을 소인수분해하기 전에는 모르는 정보이다. 이는 알고리즘이 어떻게 동작하는지 나타내기 위해 추가되었다. 초깃값을  = 2로 정해서 알고리즘을 적용하면 다음과 같이 된다.

101로 나눈 나머지에서 첫 번째 반복은 17단계의 97이다. 이 반복은 23단계에서 x \equiv x_{fixed} \pmod{101}이 될 때까지 알고리즘이 알아내지 못한다. 이때 \gcd (x - x_{fixed}, n) = \gcd (2799 - 9970, n)은 p = 101이 되어 소인수를 찾게 된다.

## 복잡도
폴라드 로 알고리즘에서 쓰이는 유사 난수 x = g(x)가 실제로 완전한 난수라고 가정한다면, 생일 역설에 의해 폴라드 로 알고리즘은 O(\sqrt p)\le O(n^{1/4}) 시간 안에 입력값의 인수를 출력할 수 있다. 실제로 폴라드 로 알고리즘은 대략 이 정도 시간에 작동하는 것이 알려져 있지만, 이는 아직 확률적인 추측이며 엄밀한 증명은 아직 이루어지지 않았다.

## 같이 보기
* 폴라드 로 이산 로그 알고리즘
* 폴라드의 캥거루 알고리즘

## 각주

## 참고 문헌
* 
* 

## 외부 링크
* 입문자 수준에서 설명한 폴라드 로 알고리즘에 대한 종합 기사 (영어 사이트)
* 

* 자바로 구현한 폴라드 로 알고리즘
* About Pollard rho

분류:소인수 분해 알고리즘