擴充套件的歐幾里得演算法
歐幾里德演算法
歐幾里德演算法又稱輾轉相除法,用於計算兩個整數a,b的最大公約數。其計算原理依賴於下面的定理:
定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)
證明:a可以表示成a = kb + r,則r = a mod b
假設d是a,b的一個公約數,則有
d|a, d|b,而r = a - kb,因此d|r
因此d是(b,a mod b)的公約數
假設d 是(b,a mod b)的公約數,則
d | b , d |r ,但是a = kb +r
因此d也是(a,b)的公約數
因此(a,b)和(b,a mod b)的公約數是一樣的,其最大公約數也必然相等
歐幾里德演算法就是根據這個原理來做的,其演算法用C++語言描述為:
int Gcd(int a, int b) { if(b == 0) return a; return Gcd(b, a % b); }
注: a > b
當然你也可以寫成迭代形式:
int Gcd(int a, int b) { while(b != 0) { int r = b; b = a % b; a = r; } return a; }
本質上都是用的上面那個原理。
補充: 擴充套件歐幾里德演算法是用來在已知a, b求解一組p,q使得p * a+q * b = Gcd(p, q) (解一定存在,根據數論中的相關定理)。擴充套件歐幾里德常用在求解模線性方程及方程組中。下面是一個使用C++的實現:
int exGcd(int a, int b, int &x, int &y) { if(b == 0) { x = 1; y = 0; return a; } int r = exGcd(b, a % b, x, y); int t = x; x = y; y = t - a / b * y; return r; }
//x, y非已知量, 只是為了求到 a‘’ *x + b‘’ *y = gcd(a‘’, b‘’) 中x,y的值 (設gcd(a,b) 中b為0時,即a為最大公約數時,的a,b為a‘’ b‘’;),然後倒著往回推,對於a0*x0 + b0*y0 = gcd(a0,b0) 和 a1*x1 + b1*y1 = gcd(a1,b1) 有a1 = b0; b1 = a0 % b0;
且gcd(a,b)=gcd(b,a%b),詳細見下文。。。無論是x0,y0,x1,y1·····的值我們都沒法求,只能求得b = 0時的 x,y值····由此逆向原路返回即可得到原x,y的值
把這個實現和Gcd的遞迴實現相比,發現多了下面的x,y賦值過程,這就是擴充套件歐幾里德演算法的精髓。
可以這樣思考:
對於a' = b, b' = a % b 而言,我們求得 x, y使得 a'x + b'y = Gcd(a', b')
由於b' = a % b = a - a / b * b (注:這裡的/是程式設計語言中的除法)
那麼可以得到:
a'x + b'y = Gcd(a', b') ===>
bx + (a - a / b * b)y = Gcd(a', b') = Gcd(a, b) ===>
ay +b(x - a / b*y) = Gcd(a, b)
因此對於a和b而言,他們的相對應的p,q分別是 y和(x-a/b*y)
補充:關於使用擴充套件歐幾里德演算法解決不定方程的辦法
對於不定整數方程pa+qb=c,若 c mod Gcd(p, q)=0,則該方程存在整數解,否則不存在整數解。
上面已經列出找一個整數解的方法,在找到p * a+q * b = Gcd(p, q)的一組解p0,q0後,p * a+q * b = Gcd(p, q)的其他整數解滿足:
p = p0 + b/Gcd(p, q) * t
q = q0 - a/Gcd(p, q) * t(其中t為任意整數)
至於pa+qb=c的整數解,只需將p * a+q * b = Gcd(p, q)的每個解乘上 c/Gcd(p, q) 即可
對於線性同餘數方程可採取轉化為 a*x + b*y = c 的形式求解,如 a*x ≡b(mod c) 有 a*x + kc = b (b | gcd(a,c)時有解) 可根據擴充套件
的歐幾里得演算法求解。此時是求x最小正整數。。x*c/gcd(a,c) 可能為負數,做如下處理即可 (x*c/gcd(a,c)%b + b)%b。。