对于给出的两个数 a , b a,b a,b,我们可以用欧几里得算法来计算最大公约数。欧几里得算法的精髓就在于下面这个公式:
g c d ( a , b ) = g c d ( b , a gcd(a,b)=gcd(b,a gcd(a,b)=gcd(b,a% b ) b) b)
证明:
已知: g c d ( a , b ) ∣ a gcd(a,b)|a gcd(a,b)∣a并且 g c d ( a , b ) ∣ b gcd(a,b)|b gcd(a,b)∣b,设 a a a% b = r b=r b=r,则 a = r + k b a=r+kb a=r+kb,故 r = a − k b r=a-kb r=a−kb,根据同余关系可得: r r r% g c d ( a , b ) = 0 gcd(a,b)=0 gcd(a,b)=0,因此 g c d ( a , b ) = g c d ( b , a gcd(a,b)=gcd(b,a gcd(a,b)=gcd(b,a% b ) b) b)
code:
int gcd(int a,int b){
return b?gcd(b,a%b):a
}
扩展欧几里得算法是用于求解 a x + b y = g c d ( a , b ) ax+by=gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b)的一组解的算法。
根据欧几里得算法我们可知: g c d ( a , b ) = g c d ( b , a gcd(a,b)=gcd(b,a gcd(a,b)=gcd(b,a% b ) b) b)
我们假设 x 1 , y 1 x1,y1 x1,y1是满足条件的一组解
那么 a x 1 + b y 1 = g c d ( a , b ) ax1+by1=gcd(a,b) ax1+by1=gcd(a,b)
而 g c d ( a , b ) = g c d ( b , a gcd(a,b)=gcd(b,a gcd(a,b)=gcd(b,a% b ) b) b)
故 a x 1 + b y 1 = b x 2 + a ax1+by1=bx2+a ax1+by1=bx2+a% b y 2 by2 by2
而 a a a% b = a − a / b ∗ b b=a-a/b\ast b b=a−a/b∗b
因而 a x 1 + b y 1 = b x 2 + a y 2 − a / b ∗ b y 2 = a y 2 + b ∗ ( x 2 − a / b ∗ y 2 ) ax1+by1=bx2+ay2-a/b\ast by2=ay2+b*(x2-a/b\ast y2) ax1+by1=bx2+ay2−a/b∗by2=ay2+b∗(x2−a/b∗y2)
那么我们就得到了一组合法的 x 1 , y 1 x1,y1 x1,y1的解: x 1 = y 2 , y 1 = x 2 − a / b ∗ y 2 x1=y2,y1=x2-a/b\ast y2 x1=y2,y1=x2−a/b∗y2
也就是我们递归下去即可。当 b = 0 b=0 b=0的时候我们就可以发现 x = 1 , y = 0 x=1,y=0 x=1,y=0是合法的
这是我们再返回 x = 1 , y = 0 x=1,y=0 x=1,y=0。最后就一直会回溯下去,得到我们的 x 1 , y 1 x1,y1 x1,y1
void exgcd(int a,int b){
if(!b){
x=1,y=0;
return ;
}
exgcd(b,a%b)
int temp=x;
x=y;y=temp-a/b*x;
}
但是如果要求 a x + b y = g c d ( a , b ) ax+by=gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b)的最小整数解的时候,我们就要对 x x x批量的加上 b b b的倍数,但是这不会影响最终的结果。
因为 a x + b y + k a b − k a b = a ( x + k b ) + b ∗ ( y − k a ) ax+by+kab-kab=a(x+kb)+b*(y-ka) ax+by+kab−kab=a(x+kb)+b∗(y−ka),这样依旧是合法的。
因此我们直接让 x = ( x x=(x x=(x% b + b ) b+b) b+b)% b b b即为最终的答案。
对于 a a a和 m m m,如果 a x ≡ 1 ( m o d m ) ax\equiv1(modm) ax≡1(modm),那么称 x x x是 a a a在 m m m下的逆元。
那么我们该怎么求解逆元呢?我们将逆元的等式转化一下:
a x + m y = 1 ax+my=1 ax+my=1
由于 a x + m y = k ax+my=k ax+my=k有解当且仅当 k k k% g c d ( a , m ) = 0 gcd(a,m)=0 gcd(a,m)=0的时候有解,说明 g c d ( a , m ) = 1 gcd(a,m)=1 gcd(a,m)=1
那么我们直接用扩展欧几里得求解即可。
int x,y;
void exgcd(int a,int b){
if(!b){
x=1,y=0;
return ;
}
exgcd(b,a%b)
int temp=x;
x=y;y=temp-a/b*x;
}
int inv(int a,int m){//a在m下的逆元
exgcd(a,m);
return (x%m+m)%m;
}
逆元一般是用在除法取模上面,如 ( a / b ) (a/b) (a/b)% m m m即为 a a a% m ∗ i n v ( b , m ) m\ast inv(b,m) m∗inv(b,m)
埃拉托斯特尼筛法是一个复杂度为 n l n n l n n nlnnlnn nlnnlnn的筛法。
当选中一个数为素数的时候,就把以这个数为因子的数全部筛掉即可。
const int N=1e6+100;
vector<int> pr;
bool vis[N];
void seive(){
vis[0]=vis[1]=1;
for(int i=2;i<=N-10;i++){
if(!vis[i]){
pr.push_back(i);
for(int j=2*i;j<=N-10;j+=i) vis[j]=1;
}
}
}
假设 a a a是一个整数, p p p是一个质数,那么 a p − a a^p-a ap−a是 p p p的倍数
即 a p ≡ a ( m o d p ) a^p\equiv a(modp) ap≡a(modp),如果 a a a不是 p p p的倍数,这个定理也可以写成:
a p − 1 ≡ 1 ( m o d p ) a^{p-1}\equiv1(modp) ap−1≡1(modp)
形如 a x ≡ b ( m o d m ) ax\equiv b(modm) ax≡b(modm)即为线性同余方程。
将线性同余方程变形后即可得到:
a x + m y = b ax+my=b ax+my=b
只有当 b b b% g c d ( a , m ) = 0 gcd(a,m)=0 gcd(a,m)=0时该方程才有解。
我们先利用扩展欧几里得算法求出
a x + m y = g c d ( a , m ) ax+my=gcd(a,m) ax+my=gcd(a,m)的一组解 ( x 0 , y 0 ) (x0,y0) (x0,y0),那么 x = x 0 ∗ ( b / g c d ( a , m ) ) x=x0*(b/gcd(a,m)) x=x0∗(b/gcd(a,m))% m m m
即为原方程的一组解。
欧拉函数即为小于 n n n的数中与 n n n互质的数的个数
比如 φ ( 8 ) = 4 \varphi(8)=4 φ(8)=4
欧拉函数的通式为:
φ ( x ) = x ( 1 − 1 p 1 ) ( 1 − 1 p 2 ) . . . ( 1 − 1 p n ) \varphi(x)=x(1-\frac{1}{p1})(1-\frac{1}{p2})...(1-\frac{1}{pn}) φ(x)=x(1−p11)(1−p21)...(1−pn1)
其中 p 1 , p 2 , . . . p n p1,p2,...pn p1,p2,...pn为 x x x的质因数。