欧几里德和扩展欧几里德算法

1.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

int gcd(int n,int m){
	if(m==0)	return n;
	return gcd(m,n%m);
}
或写成迭代形式

int gcd(int n,int m){
	while(m!=0){
		int t=m;
		m=n%m;
		n=t;
	}
	return n;
}

也或者是

int gcd(int n,int m)
{
	while(n!=m){
		if(n>m)	n=n-m;
		else	m=m-n;
	}
	return n;
}

2.扩展欧几里德

 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(a, b)  (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。

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;
}

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)


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