关于扩展欧几里得算法的自我认识

前景提要:
由于自己数学太过于垃圾,一直没填坑,弄得很迷。。。
然后又不想管。。。
直到集训时,又讲到,qwq。

结束

  1. 既然是扩展的欧几里得算法,那么TA也基于欧几里得算法:
int gcd(int a,int b){
    return b==0?a:gcd(b,a%b);
}
  1. 扩欧是怎样的呢?
    先了解下贝祖定理(裴蜀定理)
    a 、 b ∈ Z a、b \in Z abZ ,则有 x , y ∈ Z x,y \in Z x,yZ,使得 a x + b y = g c d ( a , b ) ax+by=gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b)成立
    这样便有了扩欧的前提。
  • 关于 贝祖定理(裴蜀定理) 的小扩展:
    显然: a x + b y = 1 , 那 么 a 与 b 互 质 ax+by=1,那么a与b互质 ax+by=1,ab
  • 同理:推广到n个数也成立,这不过是 g c d ( a 1 , a 2 , a 3... a n ) gcd(a1,a2,a3...an) gcd(a1,a2,a3...an)

扩展欧几里得算法,对于 a x + b y = c ax+by=c ax+by=c ( g c d ( a , b ) ∣ c ∈ Z gcd(a,b)|c \in Z gcd(a,b)cZ),即可以求出gcd(a,b),还可以求出x,y,的一组特解
(PS:对于要求任意解的话:推荐博客)

  1. 算法流程(也就是如何做到的):
    由于 g c d ( a , b ) ∣ c ∈ Z gcd(a,b)|c \in Z gcd(a,b)cZ,不妨设: c = g c d ( a , b ) c=gcd(a,b) c=gcd(a,b)的情形;
    那么就存在一组特解: a ′ = g c d ( a , b ) , b ′ = 0 a'=gcd(a,b),b'=0 a=gcd(a,b),b=0时, x = 1 , y = 0 , 使 得 : a ′ x + b ′ y = g c d ( a , b ) ; x=1,y=0,使得:a'x+b'y=gcd(a,b); x=1,y=0,使ax+by=gcd(a,b);

那么就有了两个方程:(PS:默认 c = g c d ( a , b ) c=gcd(a,b) c=gcd(a,b)的情况)

a x + b y = g c d ( a , b ) ax+by=gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b)

a ′ x + b ′ y = g c d ( a , b ) a'x+b'y=gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b),其中 a ′ = g c d ( a , b ) , b ′ = 0 , x = 1 , y = 0 a'=gcd(a,b),b'=0,x=1,y=0 a=gcd(a,b),b=0,x=1,y=0;

这样得话,那么对于第二个方程,是不是已经得到解?

那么是不是意味着,若:a’=a,b’=b的话,由当前的x=1,y=0,推出第一个方程的解(这就是为啥说是特解的原因)

考虑到欧几里得算法,TA是不是也是在最后b=0时,a=gcd(a,b);

核心:在欧几里得算法求gcd时,从下推上来,得到当前a,b下的一组(特)解。

  1. 证明(如何做到推的?):
    由于 g c d ( a , b ) = g c d ( b , a m o d    b ) gcd(a,b)=gcd(b,a\mod b) gcd(a,b)=gcd(b,amodb),此处得到了一个相邻态的式子。
    显然: a x + b y = b x + ( a m o d    b ) ∗ y ax+by=bx+(a\mod b)*y ax+by=bx+(amodb)y(此处x,y不一定相等,只表示变量)
    //不理解的话,建议手写两原式子,实践是检验真理的唯一方式;
    已知: a m o d    b = a − ⌊ a b ⌋ ∗ b a\mod b=a-\lfloor \frac{a}{b}\rfloor*b amodb=abab
    那么:
    b x + ( a m o d    b ) y bx+(a\mod b)y bx+(amodb)y
    = b x + ( a − ⌊ a b ⌋ ∗ b ) y =bx+(a-\lfloor \frac{a}{b}\rfloor*b)y =bx+(abab)y
    = a y + b ( x − ⌊ a b ⌋ ∗ y ) =ay+b(x-\lfloor \frac{a}{b}\rfloor*y) =ay+b(xbay)
    好了,大功告成。
    why?
    这里的式子得x,y,其实为 b x + ( a m o d    b ) ∗ y bx+(a\mod b)*y bx+(amodb)y所对应的x,y;
    并且:我们可以认为 y ′ = x − ⌊ a b ⌋ ∗ y y'=x-\lfloor \frac{a}{b}\rfloor*y y=xbay, x ′ = y x'=y x=y;
    而a,b,对于 a x + b y ax+by ax+by,就是其a,b,只不过位置变了;

综上证明:得到了,相邻类比式的转移,也就得到了核心

Code:
Fir:

当然这里的是默认c=gcd(a,b);
int exgcd(int a,int b,int &x,int &y){//这种写法易理解
    if(b==0){
        x=1;y=0;
        return a;	//到达边界开始向上一层返回
    }
    int res=exgcd(b,a%b,x,y);
    int t=y;	//把x,y变成上一层的
    y=x-(a/b)*y;
    x=t;
    return res;	//得到a,b的gcd
}

Sec:

void exgcd(int a,int b,int& x,int& y,int c){
	if(b==0){
		x=c/a,y=0;
		return;
	}
	exgcd(b,a%b,y,x,c);//注意到,这里传递是y,x与上面不同,其实为了不需要再交换x,y
	y-=x*(a/b);
}

后记:

  1. 就exgcd练手的话,NOIP 提高组 2012 同余方程,就好了。
  2. 逆元,luogu模板题吧。
  3. 就是在递归过程中:我们可以求出每层的x,y特解,有的题就会需要,但一般不会让你看出来。(我也记不到,遇见过。qwq)
  4. 判线性同余方程不成立的话, c m o d    g c d ( a , b ) ! = 0 c \mod gcd(a,b)!=0 cmodgcd(a,b)!=0

PS:写的有可能不详细,重在理解吧。emmm…

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