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  • 【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。
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