除法取模与逆元

本文介绍了模运算的基本等式,并探讨了如何通过使用逆元来处理模运算中的除法问题。文章详细解释了逆元的概念及其在模运算中的应用。

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我们经常在做题时会看到这样一句话:由于答案较大,请输出答案mod m的结果。(其中m一般为一个大质数)
我们经常会使用以下几个等式:

(a+b)(amodm+bmodm)(modm)

(ab)(amodmbmodm+m)(modm)(a>b)

(a×b)(amodm×bmodm)(modm)

但是很容易发现,这三个等式中并没有除法。
那我们怎样处理除法呢? 这里就要使用到逆元。

我们定义若b×b1modc=1,则称b1为b模c的乘法逆元。
并且有 (a÷b)modc=(a×b1)modc。(其中a÷b为整除)

证明(反证法):
假设b×b1,则(a÷b)modc(a×b1)
令,a÷b=k1×c+y1, a×b1=k2×c+y2

<=>若b×b1modc=1,则 y1y2
两式相减,则a÷ba×b1=(k1k2)×c+(y1y2)
k=k1k2y=y1y2
有,a÷ba×b1=k×c+y
左右乘以b,有 a×(1b×b1)=k×b×c+b×y
左右模上c,
左边 =a×(1b×b1)modc
=(a×(1modcb×b1modc))modc
=0
右边 =(k×b×c+b×y)modc
=b×ymodc
a÷b为整除,b显然不会是0,那么y必须是0,这与命题矛盾,证毕

### 运算下的除法实现 在运算体系中,直接执行除法操作并非直观可行。为了实现在 \( mod \) 下的除法 \( (a / b) \% mod \),可以将其转换为乘以被除数 \( b \) 的逆元的操作,即: \[ (a / b) \% mod = (a * b^{-1}) \% mod \] 这里的关键在于找到 \( b \) 关于 \( mod \) 的乘法逆元 \( b^{-1} \)[^2]。 ### 寻找乘法逆元的方法 #### 扩展欧几里得算法 扩展欧几里得算法是一种有效寻找两个整数最大公约数的同时还能得到线性组合系数的方法。对于给定的正整数 \( a \) 和 \( m \),如果存在一对整数 \( x \),\( y \) 使得: \[ ax + my = gcd(a,m) \] 当 \( gcd(a, m)=1 \) 即 \( a \) 和 \( m \) 互质的情况下,则有 \( x \equiv a^{-1}\ (\text{mod }m)\),此时 \( x \) 就是所的乘法逆元[^1]。 下面是利用Python编程语言来展示如何基于此原理编写函数计算乘法逆元的例子: ```python def extended_gcd(a, b): if a == 0 : return b,0,1 gcd,x1,y1 = extended_gcd(b % a, a) x = y1 - (b//a) * x1 y = x1 return gcd,x,y def mod_inverse(a, p): gcd, x, _ = extended_gcd(a, p) if gcd != 1: raise ValueError('Inverse does not exist') else: return x % p ``` 上述 `extended_gcd` 函数实现了扩展的最大公因数算法;而 `mod_inverse` 则用于返回指定块内的乘法逆元。注意这里的异常处理是为了确保只有当两数确实互素时才继续运行。 ### 使用快速幂算法逆元 另一种常见的方法是在已知 \( mod \) 是质数的前提下采用费马小定理推导出来的快速幂方式逆元。根据费马小定理可知,若 \( p \) 为素数且 \( a \not\equiv 0(\text{mod }p) \),则有: \[ a^{p−1}=1\ (\text{mod }p) \] 因此可得出 \( a \)'s inverse is \( a^{p-2}\ (\text{mod }p) \) 下面给出相应的 Python 实现代码片段如下所示: ```python def fast_pow(base, exp, modulus): result = 1 while exp > 0: if exp & 1: result = (result * base) % modulus exp >>= 1 base = (base * base) % modulus return result def fermat_mod_inverse(a, p): return fast_pow(a, p - 2, p) ``` 这段代码定义了一个辅助性的快速幂次方函数 `fast_pow` 来加速大指数幂运算过程中的效率,并据此构建了专门针对质数情况下的费马逆元函数 `fermat_mod_inverse` 。
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