欧几里德算法
欧几里德算法又称辗转相除法,用于计算两个整数a,b的最大公约数。其计算原理依赖于下面的定理:
定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)
证明:a可以表示成a = kb + r,则r = a mod b
假设d是a,b的一个公约数,则有
d|a, d|b,而r = a - kb,因此d|r
因此d是(b,a mod b)的公约数
假设d 是(b,a mod b)的公约数,则
d | b , d |r ,但是a = kb +r
因此d也是(a,b)的公约数
因此(a,b)和(b,a mod b)的公约数是一样的,其最大公约数也必然相等,得证
欧几里德算法就是根据这个原理来做的,其算法用C++语言描述为:
int Gcd(int a, int b) { if(b == 0) return a; return Gcd(b, a % b); }
注: a > b
当然你也可以写成迭代形式:
int Gcd(int a, int b) { while(b != 0) { int r = b; b = a % b; a = r; } return a; }
本质上都是用的上面那个原理。
补充: 扩展欧几里德算法是用来在已知a, b求解一组p,q使得p * a+q * b = Gcd(p, q) (解一定存在,根据数论中的相关定理)。扩展欧几里德常用在求解模线性方程及方程组中。下面是一个使用C++的实现:
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, 只是为了求到 a‘’ *x + b‘’ *y = gcd(a‘’, b‘’) 中x,y的值 (设gcd(a,b) 中b为0时,即a为最大公约数时,的a,b为a‘’ b‘’;),然后倒着往回推,对于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),详细见下文。。。无论是x0,y0,x1,y1·····的值我们都没法求,只能求得b = 0时的 x,y值····由此逆向原路返回即可得到原x,y的值
把这个实现和Gcd的递归实现相比,发现多了下面的x,y赋值过程,这就是扩展欧几里德算法的精髓。
可以这样思考:
对于a' = b, b' = a % b 而言,我们求得 x, y使得 a'x + b'y = Gcd(a', b')
由于b' = a % b = a - a / b * b (注:这里的/是程序设计语言中的除法)
那么可以得到:
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)
因此对于a和b而言,他们的相对应的p,q分别是 y和(x-a/b*y)
补充:关于使用扩展欧几里德算法解决不定方程的办法
对于不定整数方程pa+qb=c,若 c mod Gcd(p, q)=0,则该方程存在整数解,否则不存在整数解。
上面已经列出找一个整数解的方法,在找到p * a+q * b = Gcd(p, q)的一组解p0,q0后,p * a+q * b = Gcd(p, q)的其他整数解满足:
p = p0 + b/Gcd(p, q) * t
q = q0 - a/Gcd(p, q) * t(其中t为任意整数)
至于pa+qb=c的整数解,只需将p * a+q * b = Gcd(p, q)的每个解乘上 c/Gcd(p, q) 即可
对于线性同余数方程可采取转化为 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)时有解) 可根据扩展
的欧几里得算法求解。此时是求x最小正整数。。x*c/gcd(a,c) 可能为负数,做如下处理即可 (x*c/gcd(a,c)%b + b)%b。。