質數/因數計算器

關於質數/因數計算器

質數/因數計算器是一款強大的數學工具，專為學生、教師和數學愛好者設計。本計算器能夠快速判斷一個數字是否為質數，列出所有因數，並進行完整的質因數分解。支援 1 到 10 億的整數範圍，適用於各種數學學習與研究場景。

什麼是質數？

質數（Prime Number）是指在大於 1 的自然數中，除了 1 和它本身以外不再有其他因數的數。例如：2、3、5、7、11、13 等都是質數。質數是數論中最基本且重要的概念，在密碼學、資訊安全等領域有廣泛應用。特別的，2 是唯一的偶質數。

什麼是因數？

因數（Factor 或 Divisor）是指能夠整除某個整數的正整數。例如：12 的因數有 1、2、3、4、6、12。任何數字至少有兩個因數：1 和它本身。因數分解在數學運算、分數簡化、最大公因數計算等方面都非常重要。

什麼是質因數分解？

質因數分解（Prime Factorization）是將一個合數表示成若干個質數相乘的形式。根據算術基本定理，每個大於 1 的自然數都可以唯一地分解為質數的乘積。例如：360 = 2³ × 3² × 5。質因數分解在求最大公因數、最小公倍數、簡化根式等數學問題中扮演關鍵角色。

如何使用？

1. 在輸入框中輸入想要分析的整數（1 到 10 億）
2. 系統自動即時計算並顯示結果
3. 查看質數判斷結果、完整因數列表和質因數分解
4. 點擊「顯示/隱藏算法步驟」可以查看詳細的計算過程
5. 點擊圖表查看因數分布的視覺化呈現
6. 使用「分享連結」或「匯出 PDF」功能保存結果

計算原理

本計算器採用試除法（Trial Division）判斷質數，這是最基礎且最可靠的質數檢驗方法。核心原理：如果 n 是合數，則 n 必定有一個小於等於 √n 的質因數。因此我們只需要檢查 2 到 √n 之間的所有質數即可。對於因數分解，我們使用相同的策略，從 2 開始依次測試每個可能的因數，直到 √n。這些算法已經過 OEIS（線上整數數列百科全書）和數學文獻的驗證。

功能特色

• 即時計算：輸入數字後自動計算，無需點擊按鈕
• 範圍廣泛：支援 1 到 10 億（1,000,000,000）的整數
• 完整分析：質數判斷、所有因數、質因數分解一次完成
• 算法可視化：可選擇顯示逐步計算過程，適合教學使用
• 圖表呈現：使用 Chart.js 視覺化因數分布
• 結果分享：一鍵生成分享連結，方便傳送給他人
• PDF 匯出：完整保存計算結果，便於列印或儲存
• 鍵盤快捷鍵：支援 Ctrl+S/R/P/H 等快速操作
• 響應式設計：支援桌面、平板、手機等各種裝置
• 雙語介面：繁體中文與英文自由切換

使用場景

• 數學作業：快速完成質數判斷與因數分解作業
• 教學輔助：教師可展示完整計算步驟，幫助學生理解原理
• 考試準備：練習質數識別與因數分解技巧
• 程式開發：驗證質數演算法的正確性
• 數學研究：快速分析數字的因數結構
• 密碼學學習：理解質數在加密演算法中的應用

常見問題

Q1：為什麼 1 不是質數？

A：根據數學定義，質數必須是大於 1 的自然數，且只有 1 和它本身兩個因數。雖然 1 只能被 1 整除，但它不符合「大於 1」的條件，因此被排除在質數之外。這樣的定義使得算術基本定理（質因數分解的唯一性）能夠成立。

Q2：為什麼 2 是唯一的偶質數？

A：因為所有大於 2 的偶數都可以被 2 整除，因此都有 1、2 和自己至少三個因數，不符合質數的定義。只有 2 本身只能被 1 和 2 整除，所以 2 是唯一的偶質數。

Q3：計算大數（如 1 億）需要多久？

A：計算時間取決於數字的大小和質因數結構。質數的判斷速度較快（O(√n) 時間複雜度），通常在幾秒內完成。如果數字本身是質數或有較大的質因數，可能需要較長時間。系統會在數字大於 100 萬時顯示性能提醒。

Q4：質因數分解的結果是唯一的嗎？

A：是的。根據算術基本定理（Fundamental Theorem of Arithmetic），每個大於 1 的自然數都可以唯一地表示為質數的乘積（不計順序）。例如：60 的質因數分解唯一為 2² × 3 × 5，不可能有其他形式。

Q5：如何理解算法步驟中的計算過程？

A：點擊「顯示/隱藏算法步驟」按鈕可以看到完整的質因數分解過程。系統會依次除以最小的質因數（從 2 開始），每一步都顯示當前數字除以質因數的結果。這個過程會持續到商為 1 為止。

Q6：這個計算器適合什麼年齡層使用？

A：本計算器適合國中以上學生（12 歲以上）、教師、程式開發者和數學愛好者使用。介面簡潔直觀，算法步驟可視化，非常適合用於教學演示和自主學習。

相關數學概念

• 最大公因數（GCD）：兩個或多個整數共有的最大因數
• 最小公倍數（LCM）：兩個或多個整數共有的最小倍數
• 互質：兩個整數的最大公因數為 1
• 完全數：等於其所有真因數之和的數（如 6 = 1+2+3）
• 雙胞質數：相差為 2 的兩個質數（如 11 和 13）
• 梅森質數：形如 2ⁿ-1 的質數

使用小技巧

• 使用鍵盤 Enter 鍵快速觸發計算
• 按住 Ctrl 鍵搭配 S/R/P/H 使用各種功能
• 綠色標記的因數表示該因數本身也是質數
• 圖表可以直觀比較質數因數與合數因數的數量
• 使用分享連結可以快速與同學或老師共享結果
• 匯出 PDF 可以保存完整計算過程，方便離線查閱

進階功能說明

質數列表生成器

使用埃拉托斯特尼篩法（Sieve of Eratosthenes）生成質數列表，這是最經典的質數生成算法。支援兩種模式：(1) 範圍模式：找出 1 到 N 之間的所有質數，最多支援 100,000；(2) 數量模式：生成前 N 個質數，最多支援 10,000 個。時間複雜度為 O(n log log n)，比逐一檢查效率高出許多。適用於需要批量質數數據的場景，如密碼學研究、數學教學等。

雙胞質數查找器

雙胞質數（Twin Primes）是指相差為 2 的質數對，例如 (3,5)、(11,13)、(17,19) 等。這是數論中的重要概念，與哥德巴赫猜想、孿生質數猜想等著名數學問題密切相關。本工具可以快速找出指定範圍內的所有雙胞質數對，支援 10 到 10,000 的範圍。目前已知最大的雙胞質數對超過 388,000 位數，但雙胞質數是否無限多個仍是未解之謎。

梅森質數檢查器

梅森質數是形如 2^p - 1 的質數，其中 p 本身也必須是質數。例如：M3 = 2³-1 = 7、M5 = 2⁵-1 = 31、M7 = 2⁷-1 = 127 都是梅森質數。本計算器使用 Lucas-Lehmer 測試法，這是目前已知最快的梅森質數檢驗算法。梅森質數非常稀有，目前全世界僅發現 51 個（截至 2024 年），最大的梅森質數 M82589933 擁有 24,862,048 位數字。GIMPS（互聯網梅森質數大搜索）項目持續尋找更大的梅森質數。

歐拉函數 φ(n)

歐拉函數 φ(n)（Euler's Totient Function）計算小於 n 且與 n 互質的正整數個數。例如：φ(9) = 6，因為 1、2、4、5、7、8 這 6 個數與 9 互質。計算公式為 n × (1 - 1/p₁) × (1 - 1/p₂) × ... × (1 - 1/pₖ)，其中 p₁, p₂, ..., pₖ 是 n 的所有不同質因數。歐拉函數在數論和密碼學中極為重要，是 RSA 加密算法的核心基礎。歐拉定理指出：如果 a 與 n 互質，則 a^φ(n) ≡ 1 (mod n)，這一性質被廣泛應用於模冪運算和數字簽名。

Miller-Rabin 質數測試

Miller-Rabin 是一種概率性質數測試算法，特別適合檢驗大數是否為質數。與試除法相比，Miller-Rabin 的時間複雜度為 O(k log³ n)，其中 k 是測試輪數。執行 5 輪測試時準確率超過 99.99%，執行 10 輪時錯誤率低於 1/4¹⁰ ≈ 0.000001。這個算法被廣泛應用於密碼學中的大質數生成，如 RSA 密鑰生成。雖然是概率算法，但在實際應用中幾乎等同於確定性算法，且效率遠高於確定性的 AKS 質數測試。

參考資料

• OEIS（線上整數數列百科全書）- Trial Division
• Wikipedia - Trial Division Algorithm
• Khan Academy - Primality Test
• Wolfram MathWorld - Prime Factorization Algorithms
• cp-algorithms.com - Euler's Totient Function
• GIMPS - Great Internet Mersenne Prime Search
• Wikipedia - Lucas-Lehmer primality test