扩展欧几里得算法的使用及简单证明

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,bZ) 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(rl)

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(rl)) 。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,bZ) 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),
∵ x , y ∈ Z \because x,y\in\mathbb{Z} x,yZ
∴ 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=abba
∴ \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+(abba⌋)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+aybyba
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(xyba⌋)
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=yy=xyba
∴ \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) ax1 (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:
p ∈ Z p \in\mathbb{Z} pZ ,则
a x + b y + p a b − p a b = 1 ax+by+pab-pab=1 ax+by+pabpab=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(ypa)=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 2a,b2×109 ,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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