【数学】扩展欧几里得算法

欧几里得算法:

辗转相除计算两个数的最大公约数,求gcd(a,b)

证明:

a=bp+q,则gcd(b,q)|bgcd(b,q)|a,故gcd(b,q)|gcd(a,b)
同样q=abp,则gcd(a,b)|q,故gcd(a,b)|gcd(b,q).
可得gcd(a,b)=gcd(b,a,最终得到gcd(a,b)=gcd(c,0)=c

代码:

int gcd(int a, int b)
{
    return b ? gcd(b, a % b) : a;
}

扩展欧几里得算法

存在整数对(x,y)使得ax+by=gcd(a,b)

证明:

a>b
b=0时,a1+b0=a=gcd(a,b),此时x=1,y=0
b!=0时,设
ax1+by1=gcd(a,b)
bx2+a%by2=gcd(b,a%b)
由于gcd(a,b)=gcd(b,a%b),所以有ax1+by1=bx2+a%by2
a%b=a(a/b)b代入,
得到 ax1+by1=ay2+bx2(a/b)by2
x1=y2,y1=x2(a/b)y2
因此可以递归的定义exgcd,同样b=0时递归结束。返回最大公约数。

代码:

int extgcd(int a, int b, int &x, int &y)
{
    int d = a;
    if(b != 0) {
        d  = extgcd(b, a % b, y, x);
        y -= (a/b) * x;
    }else {
        x = 1, y = 0;
    }
    return d;
}

应用:

求解不定方程:

c%gcd(a,b)=0,则存在整数对(x,y)使得ax+by=c

通过上面的方法可得到一组特解x0y0使得ax+by=gcd(a,b),那么如何在无穷多个解中求出xy最小正整数解。

证明:

首先 ax0+akb/gcd(a,b)+by0akb/gcd(a,b)=gcd(a,b)
a(x0+kb/gcd(a,b))+b(y0ka/gcd(a,b))=gcd(a,b)
通解为x=x0+kb/gcd(a,b)y=y0ka/gcd(a,b),其中k=...2,1,0,1,2...
在所有解中最小的正整数为(x0+b/gcd(a,b))%(b/gcd(a,b))
所以对于方程ax+by=c,最小正整数解(以x为例)为(x0c/gcd(a,b)+b/gcd(a,b))%(b/gcd(a,b))
注意:若b为负数,需将b转换为正数。

代码:

int cal(int a, int b, int c)
{
    int x, y;
    int gcd = extgcd(a, b, x, y);
    if(c % gcd != 0) return -1;
    x *= c/gcd;
    b /= gcd;
    if(b < 0) b = -b;
    int ans = x % b;
    if(ans <= 0) ans += b;
    return ans;
}

同余方程:

根据上面的内容,我们可以得到:

  • axb(modn),转化为ax+ny=b,当 b%gcd(a,n)=0时,方程有 gcd(a,n) 个解。
  • ax1(modn),如果gcd(a,n)=1,则方程有唯一解。
原文地址:https://www.cnblogs.com/Tuesdayzz/p/5758828.html