什么是GCD?
GCD是最大公约数的简称(当然理解为我们伟大的党也未尝不可)。在开头,我们先下几个定义:
①a|b表示a能整除b(a是b的约数)
②a mod b表示a-[a/b]b([a/b]在Pascal中相当于a div b)
③gcd(a,b)表示a和b的最大公约数
④a和b的线性组合表示ax+by(x,y为整数)。我们有:若d|a且d|b,则d|ax+by(这很重要!)
线性组合与GCD
现在我们证明一个重要的定理:gcd(a,b)是a和b的最小的正线性组合。
证明:
设gcd(a,b)为d,a和b的最小的正线性组合为s
∵d|a且d|b,
∴d|s。
而a mod s=a-[a/s]s
=a-[a/s](ax+by)
=a(1-[a/s]x)-b[a/s]y
亦为a和b的线性组合
∵a mod s<s,a mod s不能是a和b的最小的正线性组合
∴a mod s=0,即s|a
同理由s|b
∴s为a,b的公约数
∴s<=d
∵d|s
∴d=s。证毕。
由这条定理易推知:若d|a且d|b,则d|gcd(a,b)
扩展欧几里得是对于一对整数a,b总可以找到一组解x,y使ax+by=gcd(a,b)
例如a=6,b=15时,gcd(a,b)=3;一组可行的解是x=3,y=-1,当然还有其他解如x=-2,y=1.
给出实现程序
int exGcd(int a,int b,int &d,int &x,int &y)//d表示gcd(a,b)
{
if(!b){d=a;x=;y=;}
else {exGcd(b,a%b,d,y,x);y-=x*(a/b);}
}
我们说过,gcd(a,b)可以表示为a和b的最小的正线性组合。现在我们就要求这个最小的正线性组合ax+by中的x和y。
从最简单的情况开始。当b=0时,我们取x=1,y=0。当b≠0时呢?
假设gcd(a,b)=d,则gcd(b,a
mod b)=d。若我们已经求出了gcd(b,a mod b)的线性组合表示bx'+(a mod b)y',则
gcd(a,b)=d
=bx'+(a mod b)y'
=bx'+(a-[a/b]b)y'
=ay'+b(x'-[a/b]y')=d=ax+by
那么,x=y',y=x'-[a/b]y'。这样就可以在Euclid的递归过程中求出x和y。
所以在上述代码的第4行中:
x=y';(即x与y交换)
(交换前)y=x'-(a/b)*y';
(交换后)y=y'-(a/b)*x';
所以递归时
exGcd(b,a%b,d,y,x);交换了x,y
y-=x*(a/b);//更新了y
求出了一组解肯定远远不够,如何求出其他解呢?一个公式就可以解决,对于方程的一个解(x0,y0)它的任意整数解可以表示为
(x0 + k*(b/d),y0 - k*(a/d))
推导过程为:
设(x1,y1)为方程的一组已知解,(x2,y2)为一组未知解,代入方程后得:
a*x1+b*y1=d;
a*x2+b*y2=d;
a*x1+b*y1=a*x2+b*y2
移项得:
a*(x1-x2)=b*(y1-y2)
两边同时除以d(令a'=a/d,b'=b/d)
a'*(x1-x2)=b'*(y1-y2)
a' 与 b' 一定互质
(x1-x2)一定可以被b整除
设x1-x2=k*b'
a'*k*b'=b'*(y1-y2)
k*a'=y1-y2
所以x2=x1-k*b'
y2=y1+k*a'
同余方程:aΞb(mod n)表示(a mod n)==(b mod n)即a-b可以被n整除(注意是整除);
所以可以设ax-b为n的正整数倍,所以又可以设ax-b为n的y倍;
得到ax-b==ny变形得ax-ny==b;
这下就可以用扩展欧几里得解决了!
相关的例题在Vijos P1781 同余方程,2012年提高组的题,如果知道了这个方程,那AC简直妥妥的!下面是AC代码
/*
ID: ringxu97
LANG: C++
TASK: NOIp2012-同余方程
SOLUTION: 扩展欧几里得 同余方程的解法
*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<iostream>
#include<cmath>
#include<cstdlib>
#include<algorithm>
using namespace std;
int exgcd(int a,int b,int &d,int &x,int &y)
{
if(!b){d=a;x=;y=;}
else {exgcd(b,a%b,d,y,x);y-=x*(a/b);}
}
int main()
{
int a,b;
scanf("%d%d",&a,&b);
int g,x,y;
exgcd(a,b,g,x,y);
int ans=x;
while(ans<)ans+=b/g;
printf("%d\n",ans);
return ;
}