一、简要介绍
扩展欧几里得算法(ExGcd)是基于传统欧几里得算法的实现,主要用于计算不定方程 a x + b y = gcd ( a , b ) ( a , b ∈ Z ) ax+by=\gcd(a,b)\text{ }(a,b\in\mathbb{Z}) ax+by=gcd(a,b) (a,b∈Z) 的一组特殊整数解。类似于传统的欧几里得算法计算 gcd ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b) 时将 gcd ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b) 转化为 g c d ( b , a m o d b ) gcd(b,a\mod b) gcd(b,amodb) ,扩展欧几里得算法通过类似的系数辗转相除法求出 x , y x,y x,y 的一组解。
如果我们不使用扩展欧几里得算法计算
a
x
+
b
y
=
gcd
(
a
,
b
)
ax+by=\gcd(a,b)
ax+by=gcd(a,b) 这样一组不等式,则我们需要使用如下方法:
a
x
+
b
y
=
gcd
(
a
,
b
)
ax+by=\gcd(a,b)
ax+by=gcd(a,b)
移项,得
a
x
=
gcd
(
a
,
b
)
−
b
y
ax=\gcd(a,b)-by
ax=gcd(a,b)−by
系数化为
1
1
1 ,得
x
=
gcd
(
a
,
b
)
−
b
y
a
x=\large{\frac{\gcd(a,b)-by}{a}}
x=agcd(a,b)−by
由于在上面的方程中
y
y
y 未知,所以我们需要枚举每个可能的
y
y
y 值来搜索
x
x
x 的值。因此,若搜索范围为
[
l
,
r
]
[l,r]
[l,r] ,上面的算法时间复杂度将会达到
O
(
r
−
l
)
O(r-l)
O(r−l) 。
但是,如果我们使用扩展欧几里得算法求解,我们将会很快得到 x , y x,y x,y 的值,总体的时间复杂度为 O ( log ( r − l ) ) O(\log(r-l)) O(log(r−l)) 。下面,我们将会围绕 ExGcd 算法,介绍其使用前提,算法原理和相应的证明过程。
在本文中,所有 a ∣ b a\text{ }|\text{ }b a ∣ b 的算式均表示 a a a 整除 b b b ,即 b m o d a = 0 b\mod a=0 bmoda=0 。
二、扩展欧几里得算法的使用前提
该不定方程组为 a x + b y = gcd ( a , b ) ( a , b ∈ Z ) ax+by=\gcd(a,b)\text{ }(a,b\in\mathbb{Z}) ax+by=gcd(a,b) (a,b∈Z) 的形式。
其实,这个条件也适用于判断一个形如 a x + b y = s ax+by=s ax+by=s 的方程是否有解。只需判断 s m o d gcd ( a , b ) s\mod\gcd(a,b) smodgcd(a,b) 是否等于 0 0 0 ,是则有解,否则无解。证明如下:
∵
a
∣
g
c
d
(
a
,
b
)
,
b
∣
g
c
d
(
a
,
b
)
\because a\text{ }|\text{ }gcd(a,b),\text{ }b\text{ }|\text{ }gcd(a,b)
∵a ∣ gcd(a,b), b ∣ gcd(a,b) (最大公约数的定义),
又
∵
x
,
y
∈
Z
\because x,y\in\mathbb{Z}
∵x,y∈Z ,
∴
a
x
∣
gcd
(
a
,
b
)
,
b
y
∣
gcd
(
a
,
b
)
\therefore ax\text{ }|\text{ }\gcd(a,b),by\text{ }|\text{ }\gcd(a,b)
∴ax ∣ gcd(a,b),by ∣ gcd(a,b) ,
∴
a
x
+
b
y
∣
gcd
(
a
,
b
)
\therefore ax+by\text{ }|\text{ }\gcd(a,b)
∴ax+by ∣ gcd(a,b) 。
∵
s
=
a
x
+
b
y
\because s=ax+by
∵s=ax+by ,
∴
gcd
(
a
,
b
)
∣
s
\therefore \gcd(a,b)\text{ }|\text{ }s
∴gcd(a,b) ∣ s ,
∴
s
m
o
d
gcd
(
a
,
b
)
=
0
\therefore s\mod\gcd(a,b)=0
∴smodgcd(a,b)=0 (模运算的性质)。
因此,我们可以得到,只要方程
a
x
+
b
y
=
s
ax+by=s
ax+by=s 有解,
s
s
s 一定满足
s
m
o
d
gcd
(
a
,
b
)
=
0
s\mod\gcd(a,b)=0
smodgcd(a,b)=0 。
也就是,扩展欧几里得算法对于所有有解的方程
a
x
+
b
y
=
s
ax+by=s
ax+by=s 均能得出一组特殊解。
三、扩展欧几里得的算法过程和证明以及代码演示
本部分的主要目标是求解方程 a x + b y = G (1) ax+by=G\text{ (1)} ax+by=G (1) 的值。令 G = gcd ( a , b ) G=\gcd(a,b) G=gcd(a,b) 。
假设我们已经求得一组解
x
′
,
y
′
x',y'
x′,y′ ,使得
b
x
′
+
(
a
m
o
d
b
)
y
′
=
G
(2)
bx'+(a\mod b)y'=G\text{ (2)}
bx′+(amodb)y′=G (2) ,类似于
gcd
(
a
,
b
)
=
gcd
(
b
,
a
m
o
d
b
)
\gcd(a,b)=\gcd(b,a\mod b)
gcd(a,b)=gcd(b,amodb) ,则我们可以联立
(1)(2)
\text{(1)(2)}
(1)(2) ,得到如下的方程组:
{
a
x
+
b
y
=
G
(1)
b
x
′
+
(
a
m
o
d
b
)
y
′
=
G
(2)
\begin{cases} ax+by=G &\text{(1)}\\ bx'+(a\mod b)y'=G &\text{(2)} \end{cases}
{ax+by=Gbx′+(amodb)y′=G(1)(2)
由于
G
G
G 已知,我们可以得到方程
a
x
+
b
y
=
b
x
′
+
(
a
m
o
d
b
)
y
′
ax+by=bx'+(a\mod b)y'
ax+by=bx′+(amodb)y′
∵
a
m
o
d
b
=
a
−
b
⌊
a
b
⌋
\because a\mod b=a-b\lfloor\frac{a}{b}\rfloor
∵amodb=a−b⌊ba⌋ ,
∴
\therefore
∴ 原方程可以化为
a
x
+
b
y
=
b
x
′
+
(
a
−
b
⌊
a
b
⌋
)
y
′
ax+by=bx'+(a-b\lfloor\frac{a}{b}\rfloor)y'
ax+by=bx′+(a−b⌊ba⌋)y′
去括号,得
a
x
+
b
y
=
b
x
′
+
a
y
′
−
b
y
′
⌊
a
b
⌋
ax+by=bx'+ay'-by'\lfloor\frac{a}{b}\rfloor
ax+by=bx′+ay′−by′⌊ba⌋
对于
b
b
b 合并同类项,得到
a
x
+
b
y
=
a
y
′
+
b
(
x
′
−
y
′
⌊
a
b
⌋
)
ax+by=ay'+b(x'-y'\lfloor\frac{a}{b}\rfloor)
ax+by=ay′+b(x′−y′⌊ba⌋)
由此,我们可以得到方程的一组解:
{
x
=
y
′
y
=
x
′
−
y
′
⌊
a
b
⌋
\begin{cases} x=y' \\ y=x'-y'\lfloor\frac{a}{b}\rfloor \end{cases}
{x=y′y=x′−y′⌊ba⌋
∴
\therefore
∴ 上述解是原方程的一组解。
循环往复,将系数替换再次求解,直到得到 a n = G , b n = 0 a_n=G,\text{ }b_n=0 an=G, bn=0 ,再将数据层层带回,得到 x , y x,y x,y 的一组解。
由此,我们可以得到扩展欧几里得算法的代码实现:
int x, y, xx, yy;
void ExGcd(int a, int b)
{
if (b == 0) // 当 b = 0 时,到达递归出口,记录边界解,返回值,层层代入
{
x = 1;
y = 0;
return;
}
ExGcd(b, a % b); // 求解方程 bx' + (a mod b)y' = gcd(a,b)
xx = x, yy = y; // 备份原来的 x' 和 y'
// 代入上面的解
x = yy;
y = xx - yy * (a / b);
// 为了节省空间,此处也可以仅备份 x' 的值,因为 y' 的值会立刻赋值给 x 并且 y' 的值与 y 的值无关
}
// x, y 即为答案
三、实例应用和分析
原题链接:洛谷 P1052 同余方程
使用 ExGcd 的方法:
题目要求我们求以下方程组的解:
a
x
≡
1
(
mod
b
)
ax≡1\text{ }(\text{mod } b)
ax≡1 (mod b)
设有一个整数
y
<
0
y < 0
y<0 ,且满足
a
x
=
−
b
y
+
1
ax=-by+1
ax=−by+1
则通过移项可以得到,
a
x
+
b
y
=
1
ax+by=1
ax+by=1
通过上面的证明,我们可以得知
gcd
(
a
,
b
)
=
1
\gcd(a,b)=1
gcd(a,b)=1
∴
a
x
+
b
y
=
gcd
(
a
,
b
)
\therefore ax+by=\gcd(a,b)
∴ax+by=gcd(a,b) ,可以使用 ExGcd 算法求解。
本题需要解决的另外一个问题是如何求得最小的解。我们可以通过下面的方式:
设
p
∈
Z
p \in\mathbb{Z}
p∈Z ,则
a
x
+
b
y
+
p
a
b
−
p
a
b
=
1
ax+by+pab-pab=1
ax+by+pab−pab=1
转化,可得
a
(
x
+
p
b
)
+
b
(
y
−
p
a
)
=
1
a(x+pb)+b(y-pa)=1
a(x+pb)+b(y−pa)=1
通过调整
k
k
k 的值,可以确定
x
x
x 是最小的正整数解。
然而,此题不需要考虑这种情况也可以直接通过。
代码如下,注意由于
2
≤
a
,
b
≤
2
×
1
0
9
2 \le a,b \le 2\times 10^9
2≤a,b≤2×109 ,所以要开 long long 。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
long long a, b, x, y, xx, yy;
void ExGcd(long long a, long long b)
{
if (b == 0)
{
x = 1;
y = 0;
return ;
}
ExGcd(b, a % b);
xx = x, yy = y;
x = yy;
y = xx - (a / b) * yy;
}
int main()
{
cin >> a >> b;
ExGcd(a, b);
x = (x % b + b) % b;
cout << x << endl;
return 0;
}
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