扩展中国剩余定理模板(EXCRT)

本文介绍了一种使用结构体Node和ExCrt实现的异或欧几里得算法,用于计算模逆并解决模运算中的查询问题。通过递归求解最大公约数,然后应用扩展欧几里得算法找到模逆元素。核心函数`Query()`实现了根据给定条件更新并返回最终结果。
struct Node {
    LL m, b;
};
struct ExCrt {
    int n;
    Node a[Maxk + 5];

    LL exgcd (LL x, LL y, LL &a, LL &b) {
        if (y == 0) {
            a = 1, b = 0;
            return x;
        }
        LL tmp = exgcd (y, x % y, b, a);
        b -= (x / y) * a;
        return tmp;
    }
    LL Query () {
        LL m = a[1].m, b = a[1].b;
        rep (i, 2, n) {
            //x = b[1] (mod m[1])
            //x = b[2] (mod m[2])
            //b[1] + m[1] * f = b[2] + m[2] * g
            //M = lcm (m[1], m[2])
            //x = b[1] + m[1] * f (mod M)
            //m[1] * f + m[2] * (-g) = b[2] - b[1]
            LL f, g, _gcd, M;
            _gcd = exgcd (m, a[i].m, f, g);
            M = m / _gcd * a[i].m;
            f *= (a[i].b - b) / _gcd;
            f = (f % a[i].m + a[i].m) % a[i].m;
            b = (b + m * f) % M;
            m = M;
        }
        return b;
    }
}F;
### 关于中国剩余定理算法模板与实现 以下是基于中国剩余定理的一个经典实现示例,该算法用于解决模线性同余方程组的问题。此实现考虑了输入的一系列模数和对应的余数,并返回满足所有条件的最小非负整数解。 #### 输入说明 给定一组模数 $m_1, m_2, \ldots, m_k$ 和对应的一组余数 $a_1, a_2, \ldots, a_k$,目标是找到一个整数 $x$ 满足以下同余方程组: $$ \begin{aligned} &x \equiv a_1 \pmod{m_1}, \\ &x \equiv a_2 \pmod{m_2}, \\ &\cdots \\ &x \equiv a_k \pmod{m_k}. \end{aligned} $$ 如果存在这样的 $x$,则输出其最小非负整数值;否则输出 `-1` 表明无解。 --- #### 算法核心逻辑 通过逐步合并两个同余方程来扩展到多个方程的情况。对于每一对 $(M_i, A_i)$ 和 $(M_j, A_j)$,可以利用 **扩展欧几里得算法** 来计算它们的组合形式的新模数和新余数[^1]。 具体而言,假设当前已知解的形式为: $$ x \equiv r \pmod{n}, $$ 以及下一个待处理的方程为: $$ x \equiv b \pmod{m}. $$ 那么可以通过如下方式更新新的解: $$ r' = (r + k \cdot n) \% lcm(n, m), $$ 其中 $k$ 是由扩展欧几里得算法得出的系数,而 $\text{lcm}(n, m)$ 则表示两者的最小公倍数。 需要注意的是,在实际编程过程中应特别关注大整数运算可能导致的溢出问题[^3]。 --- #### Python 实现代码 下面是完整的 Python 实现代码: ```python from math import gcd def exgcd(a, b): """ 扩展欧几里得算法 """ if b == 0: return 1, 0, a else: x, y, g = exgcd(b, a % b) return y, x - (a // b) * y, g def crt(moduli, remainders): """ 中国剩余定理实现 """ M = moduli[0] R = remainders[0] for i in range(1, len(moduli)): mi = moduli[i] ai = remainders[i] # 计算lcm(M, mi),并验证是否有解 g, _, _ = exgcd(M, mi) if (ai - R) % g != 0: return -1 w = ((ai - R) // g) * pow(mi // g, -1, M // g) % (M // g) R += w * M M = M * mi // g return R % M # 测试数据 if __name__ == "__main__": moduli = [3, 5, 7] # 模数组 remainders = [2, 3, 2] # 对应余数 result = crt(moduli, remainders) print(result) # 输出结果:23 ``` 上述代码实现了中国剩余定理的核心功能,并能够正确处理多组模数和余数的情形。它还包含了必要的边界情况检测机制,比如当某些子问题不存在有效解时会及时退出并返回错误标志 `-1`。 --- #### 注意事项 - 如果所有的模数互质,则可以直接应用标准版本的 CRT 方法。 - 当模数不完全互素时,需借助扩展欧几里得算法动态调整参数以确保最终解答的有效性和唯一性。 - 运行期间务必留意可能发生的数值范围越界现象,尤其是在涉及较大规模的数据集时更应该小心谨慎。 ---
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