同余问题(一)——扩展欧几里得exgcd

前言

扩展欧几里得算法是一个很好的解决同余问题的算法,非常实用。


欧几里得算法

简介

欧几里得算法,又称辗转相除法。

主要用途

求最大公因数 g c d gcd gcd

公式

g c d ( a , b ) = g c d ( b , a % b ) gcd(a,b)=gcd(b,a\%b) gcd(a,b)=gcd(b,a%b)

公式证明

a a a可以表示成 a = k b + a % b a=kb+a\%b a=kb+a%b k k k为自然数)。

假设 g g g a , b a,b a,b的一个公约数,则有 g ∣ a , g ∣ b g|a, g|b ga,gb

∵ a % b = a − k b \because a\%b=a-kb a%b=akb

∴ g ∣ ( a % b ) , ∴ g \therefore g|(a\%b),\therefore g g(a%b),g b , a % b b,a\%b b,a%b的公约数。

综上所述, a , b a,b a,b b , a % b b,a\%b b,a%b的公约数是一样的,其 g c d gcd gcd也必然相等。

代码实现
inline int gcd(int x,int y) {return y?gcd(y,x%y):x;}

扩展欧几里得算法

简介

扩展欧几里得建立于欧几里得算法的基础上。(该算法的升级版 徐xgcd有待XuRuiYang奆佬发明)

主要用途

对于已知a,b求解x,y使其满足ax+by=gcd(a,b)。

解法

我们可以对 ( a , b ) (a,b) (a,b)不断辗转相除。

根据欧几里得算法,最后剩下的两个数一定为 ( g c d ( a , b ) , 0 ) (gcd(a,b),0) (gcd(a,b),0)

显然,此时 x = 1 , y = 0 x=1,y=0 x=1,y=0是原式的一组解。

现在,我们需要考虑,若已知 ( b , a % b ) (b,a\%b) (b,a%b)的解,如何推出 ( a , b ) (a,b) (a,b)的解。

x 0 , y 0 x_0,y_0 x0,y0 ( b , a % b ) (b,a\%b) (b,a%b)的一组解,则 x 0 ⋅ b + y 0 ( a % b ) = g c d ( b , a % b ) x_0·b+y_0(a\%b)=gcd(b,a\%b) x0b+y0(a%b)=gcd(b,a%b)

将这个式子转化一下,可以得到 x 0 ⋅ b + y 0 ( a − ⌊ a b ⌋ ∗ b ) = g c d ( a , b ) x_0·b+y_0(a-\lfloor\frac ab\rfloor*b)=gcd(a,b) x0b+y0(abab)=gcd(a,b)

去括号,得 x 0 ⋅ b + y 0 ⋅ a − ( y 0 ⋅ ⌊ a b ⌋ ) ⋅ b = g c d ( a , b ) x_0·b+y_0·a-(y_0·\lfloor\frac ab\rfloor)·b=gcd(a,b) x0b+y0a(y0ba)b=gcd(a,b)

合并同类项,得 y 0 ⋅ a + ( x 0 − y 0 ⋅ ⌊ a b ⌋ ) ⋅ b = g c d ( a , b ) y_0·a+(x_0-y_0·\lfloor\frac ab\rfloor)·b=gcd(a,b) y0a+(x0y0ba)b=gcd(a,b)

∴ x = y 0 , y = x 0 − y 0 ⋅ ⌊ a b ⌋ \therefore x=y_0,y=x_0-y_0·\lfloor\frac ab\rfloor x=y0,y=x0y0ba是原式的一组解。

递归即可。

代码实现
inline int exgcd(int x,int y,int &s1,int &s2)
{
	if(!y) return s1=1,s2=0,x;
	register int res=exgcd(y,x%y,s2,s1);
	return s2-=x/y*s1,res; 
}

扩欧的典型应用:求乘法逆元

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乘法逆元 详见博客 浅谈乘法逆元的三种解法

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