扩展欧几里得算法

    技术2022-05-20  45

    poj 1061题目,青蛙的约会。一开始想暴力求解的。但是之前提交过,tle...

    今天过来查一下,说是扩展欧几里得算法。我了个去。这么复杂的名字,得是有多深奥。

    查了才知道原来就是辗转相除法。

    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);

      }

      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x,y使得a*x+b*y=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。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;

      }

      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).

     

     

    求a * x + b * y = n的整数解。

      1、先计算Gcd(a,b),若n不能被Gcd(a,b)整除,则方程无整数解;否则,在方程两边同时除以Gcd

     

    (a,b),得到新的不定方程a' * x + b' * y = n',此时Gcd(a',b')=1;

        2、利用上面所说的欧几里德算法求出方程a' * x + b' * y = 1的一组整数解x0,y0,则n' * x0,n' 

     

    * y0是方程a' * x + b' * y = n'的一组整数解;

      3、根据数论中的相关定理,可得方程a' * x + b' * y = n'的所有整数解为:

            x = n' * x0 + b' * t

    y = n' * y0 - a' * t

    (t为整数)

        上面的解也就是a * x + b * y = n 的全部整数解。

     


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