《几何原本》命题I.16

《几何原本》命题I.16

任意三角形,其任意一边的延长线所形成的外角大于任意不相邻的内角。
在这里插入图片描述
△ABC\triangle ABCABC 为给定三角形
延长BC
ACACAC 中点 DDD,连结 BDBDBD 并延长 BDBDBD 使得 BD=DEBD=DEBD=DE
连结 CECECE
△ABD≅△CED\triangle ABD\cong\triangle CEDABDCED
∠BAD=∠DCE\angle BAD=\angle DCEBAD=DCE∠ACB\angle ACBACB 的外角 >∠BAD>\angle BAD>BAD
同理,∠ACB\angle ACBACB 的外角 >∠ABC>\angle ABC>ABC

题目描述 辗转相除法,也称欧几里得算法,是求最大公约数的算法。辗转相除法首次出现于欧几里得的《几何原本》(第VII卷,命题i和ii)中,而在中国则可以追溯至东汉出现的《九章算术》。 两个整数的最大公约数(Greatest Common Divisor)是能够同时整除它们的最大的正整数,缩写为gcd。辗转相除法基于如下原理: 定理:两个整数的最大公约数等于其中较小的那个数和两数相除余数的最大公约数. 用数学语言表示就是: g c d ( a , b ) g c d ( b , a gcd(a,b)=gcd(b,a% b ) b) 在这个过程中,较大的数缩小了,所以继续进行同样的计算可以不断缩小这两个数直至其中一个变成零。这时,所剩下的还没有变成零的数就是两数的最大公约数。 例如,计算 a 1071 a=1071和 b 462 b=462的最大公约数的过程如下: (1)让 1071 1071除以 462 462得到余数: 147 147,所以 g c d ( 1071 , 462 ) g c d ( 462 , 147 ) gcd(1071,462)=gcd(462,147) (2)让 462 462除以 147 147得到余数: 21 21,所以 g c d ( 462 , 147 ) g c d ( 147 , 21 ) gcd(462,147)=gcd(147,21) (3)让 147 147除以 21 21得到余数: 0 0,所以 g c d ( 147 , 21 ) g c d ( 21 , 0 ) gcd(147,21)=gcd(21,0) (4)此时较小的数已经是 0 0,所以 g c d ( 21 , 0 ) 21 gcd(21,0)=21. 所以 g c d ( 1071 , 462 ) 21 gcd(1071,462)=21 输入格式 一行2个自然数 n n和 m m,保证 1 ≤ m , n ≤ 10 9 1≤m,n≤10 9 。 输出格式 只有一行一个整数,表示 n n和 m m的最大公因数
09-22
<think> 题目要求使用辗转相除法(欧几里得算法)计算两个自然数n和m的最大公约数(GCD)。根据辗转相除法的原理,我们可以递归或迭代地应用以下等式: gcd(a, b) = gcd(b, a mod b) 直到其中一个数为0,此时另一个数就是最大公约数。 由于n和m的范围是1到10^9,我们需要一个高效的算法。辗转相除法的时间复杂度为O(log(min(a,b))),因此可以处理大数。 我们可以使用迭代方法(非递归)来实现,避免递归带来的栈溢出风险(尽管递归深度为O(log n)一般不会太深,但迭代更安全且效率相同)。 迭代步骤: 1. 如果其中一个数为0,则另一个数就是最大公约数(但题目保证m,n≥1,所以不会一开始就为0,但在迭代过程中会出现0)。 2. 当b不为0时,重复以下过程: a. 计算a对b的余数:r = a % b b. 将a更新为b,b更新为r 3. 当b等于0时,a就是最大公约数。 注意:我们不需要考虑a和b的大小关系,因为如果a<b,那么a % b等于a,下一步就会自动交换(因为a % b = a,然后更新:a=b, b=a(原来的a)),所以算法会自动调整。 例如:gcd(5, 15) -> 5%15=5 -> (15,5) -> 15%5=0 -> gcd=5。 代码实现: </think> ### 辗转相除法(欧几里得算法)实现最大公约数 #### 算法原理 辗转相除法基于以下数学原理: 两个整数的最大公约数(GCD)等于其中较小的数和两数相除余数的最大公约数。 用公式表示为: \[ \text{gcd}(a, b) = \text{gcd}(b, a \mod b) \] 该过程重复执行,直到余数为 0,此时除数即为最大公约数。 #### C++ 实现代码 ```cpp #include <iostream> using namespace std; // 使用迭代实现辗转相除法 long long gcd(long long a, long long b) { while (b != 0) { long long temp = b; b = a % b; a = temp; } return a; } int main() { long long n, m; cin >> n >> m; // 输入两个自然数 cout << gcd(n, m); // 输出最大公约数 return 0; } ``` #### 代码说明 1. **迭代实现**: - 使用 `while` 循环替代递归,避免栈溢出风险(尤其适合 \(10^9\) 级别的大数) - 时间复杂度:\(O(\log(\min(n, m)))\),高效处理大数 - 空间复杂度:\(O(1)\),仅需常数级额外空间 2. **核心逻辑**: ```cpp while (b != 0) { long long temp = b; // 保存当前除数 b = a % b; // 计算余数并更新为下一轮除数 a = temp; // 更新被除数为上一轮的除数 } ``` - 当 `b` 变为 0 时,循环结束,此时 `a` 即为最大公约数 3. **输入输出**: - 使用 `long long` 类型确保支持 \(10^9\) 范围的整数 - 直接输出计算结果,无额外格式化 #### 算法流程示例(以 gcd(1071, 462) 为例) | 步骤 | a | b | a % b | 操作 | |------|------|------|-------|--------------------| | 1 | 1071 | 462 | 147 | b = 1071 % 462 = 147 | | 2 | 462 | 147 | 21 | b = 462 % 147 = 21 | | 3 | 147 | 21 | 0 | b = 147 % 21 = 0 | | 4 | 21 | 0 | - | 返回 a = 21 | #### 关键特性 1. **自动处理大小顺序**: 若输入 \(a < b\)(如 gcd(5, 15)),首次迭代后自动交换: \[ \text{gcd}(5, 15) \rightarrow \text{gcd}(15, 5 \mod 15=5) \rightarrow \text{gcd}(15,5) \] 2. **边界条件处理**: - 当输入为 0 时(题目保证 \(n, m \geq 1\),无需特殊处理) - 两数相等时(如 gcd(7,7) 直接返回 7)
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