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mersenne_31.hh
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mersenne_31.hh
Normal file
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Mersenne 2^31-1 prime field arithmetic
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Copyright 2026 Ahmet Inan <inan@aicodix.de>
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*/
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#pragma once
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namespace CODE {
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struct Mersenne31;
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Mersenne31 operator + (Mersenne31, Mersenne31);
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Mersenne31 operator - (Mersenne31, Mersenne31);
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Mersenne31 operator * (Mersenne31, Mersenne31);
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Mersenne31 operator / (Mersenne31, Mersenne31);
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struct Mersenne31
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{
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static constexpr uint32_t P = 0x7FFFFFFF;
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uint32_t v;
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Mersenne31() = default;
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explicit Mersenne31(uint32_t v) : v(v)
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{
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}
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Mersenne31 operator *= (Mersenne31 a)
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{
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return *this = *this * a;
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}
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Mersenne31 operator /= (Mersenne31 a)
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{
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return *this = *this / a;
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}
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Mersenne31 operator += (Mersenne31 a)
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{
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return *this = *this + a;
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}
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Mersenne31 operator -= (Mersenne31 a)
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{
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return *this = *this - a;
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}
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uint32_t operator () ()
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{
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return v == P ? 0 : v;
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}
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};
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Mersenne31 reduce(Mersenne31 a)
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{
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return Mersenne31((a.v & 0x7FFFFFFF) + (a.v >> 31));
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}
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bool operator == (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return a.v == b.v;
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}
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bool operator != (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return a.v != b.v;
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}
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Mersenne31 add(Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return Mersenne31(a.v + b.v);
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}
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Mersenne31 operator + (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return reduce(add(a, b));
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}
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Mersenne31 neg(Mersenne31 a)
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{
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return Mersenne31(a.P - a.v);
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}
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Mersenne31 operator - (Mersenne31 a)
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{
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return reduce(neg(a));
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}
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Mersenne31 sub(Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return add(a, -b);
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}
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Mersenne31 operator - (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return reduce(sub(a, b));
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}
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Mersenne31 mul(Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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uint64_t v = uint64_t(a.v) * uint64_t(b.v);
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uint32_t l = v & 0x7FFFFFFF;
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uint32_t h = v >> 31;
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return Mersenne31(l + h);
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}
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Mersenne31 operator * (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return reduce(mul(a, b));
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}
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Mersenne31 pow(Mersenne31 a, uint32_t m)
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{
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Mersenne31 t(1);
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for (;m; m >>= 1, a *= a)
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if (m & 1)
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t *= a;
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return t;
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}
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Mersenne31 rcp(Mersenne31 a)
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{
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return pow(a, a.P - 2);
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}
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Mersenne31 div(Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return mul(a, rcp(b));
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}
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Mersenne31 operator / (Mersenne31 a, Mersenne31 b)
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{
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return reduce(div(a, b));
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}
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}
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56
tests/m31_test.cc
Normal file
56
tests/m31_test.cc
Normal file
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@ -0,0 +1,56 @@
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/*
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|
Test for the Mersenne 2^31-1 prime field arithmetic
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Copyright 2026 Ahmet Inan <inan@aicodix.de>
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*/
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#include <random>
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#include <chrono>
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#include <cstdint>
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#include <cassert>
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#include <iostream>
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#include <functional>
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#include "mersenne_31.hh"
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void random_test(uint32_t count)
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{
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typedef CODE::Mersenne31 M31;
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std::random_device rd;
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typedef std::default_random_engine generator;
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typedef std::uniform_int_distribution<int> distribution;
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auto rand0 = std::bind(distribution(0, M31::P-1), generator(rd()));
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auto rand1 = std::bind(distribution(1, M31::P-1), generator(rd()));
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for (uint32_t i = 0; i < count; ++i) {
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uint32_t a = rand0();
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for (uint32_t j = 0; j < count; ++j) {
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uint32_t b = rand0();
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assert((M31(a) * M31(b))() == uint32_t((uint64_t(a) * b) % M31::P));
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}
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}
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for (uint32_t i = 0; i < count; ++i) {
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uint32_t a = rand1();
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assert(rcp(M31(a)) * M31(a) == M31(1));
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}
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for (uint32_t i = 0; i < count; ++i) {
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uint32_t a = rand0();
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|
for (uint32_t j = 0; j < count; ++j) {
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uint32_t b = rand0();
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|
assert((M31(a) + M31(b))() == (a + b) % M31::P);
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}
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}
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for (uint32_t i = 0; i < count; ++i) {
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uint32_t a = rand0();
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for (uint32_t j = 0; j < count; ++j) {
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uint32_t b = rand0();
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assert((M31(a) - M31(b))() == (a - b + M31::P) % M31::P);
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}
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}
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}
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int main()
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{
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random_test(10000);
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|
std::cerr << "Mersenne 2^31-1 prime field arithmetic test passed!" << std::endl;
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return 0;
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}
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