扩展欧几里得算法-C语言

扩展欧几里得算法


算法原理

扩展欧几里得算法是用来求解形如 a x + b y = gcd ⁡ ( a , b ) ax+by=\gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b) 的一次不定方程的方法,其中 a , b a,b a,b 是两个整数, gcd ⁡ ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b) 是它们的最大公约数。扩展欧几里得算法可以通过辗转相除的方式来求解 gcd ⁡ ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b),同时还可以计算出 x , y x,y x,y,使得方程 a x + b y = gcd ⁡ ( a , b ) ax+by=\gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b) 成立。

其核心思想是使用递归地进行辗转相除来求解 gcd ⁡ ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b),同时在递归的过程中,维护两个变量 x , y x,y x,y,满足 a x + b y = gcd ⁡ ( a , b ) ax+by=\gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b)。具体来说,假设 a ≥ b a\geq b ab,我们可以通过以下步骤来计算 gcd ⁡ ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b) x , y x,y x,y

  • 如果 b = 0 b=0 b=0,则 gcd ⁡ ( a , b ) = a \gcd(a,b)=a gcd(a,b)=a x = 1 x=1 x=1 y = 0 y=0 y=0
    否则,我们递归地计算 gcd ⁡ ( b , a   m o d   b ) \gcd(b,a \bmod b) gcd(b,amodb),并假设其结果为 gcd ⁡ ( b , a   m o d   b ) = d \gcd(b,a \bmod b)=d gcd(b,amodb)=d x ′ = y x'=y x=y y ′ = x − ⌊ a / b ⌋ y y'=x-\lfloor a/b\rfloor y y=xa/by,其中 ⌊ a / b ⌋ \lfloor a/b\rfloor a/b 表示 a / b a/b a/b 的整数部分。则 gcd ⁡ ( a , b ) = d \gcd(a,b)=d gcd(a,b)=d x = x ′ x=x' x=x y = y ′ y=y' y=y
  • 最后,扩展欧几里得算法将会返回 gcd ⁡ ( a , b ) \gcd(a,b) gcd(a,b) x , y x,y x,y,使得 a x + b y = gcd ⁡ ( a , b ) ax+by=\gcd(a,b) ax+by=gcd(a,b) 成立。

代码实现

#include <stdio.h>

void extended_euclidean_algorithm(int a, int b, int* x, int* y, int* gcd) {
    int x1 = 0, y1 = 1, x2 = 1, y2 = 0, temp_x, temp_y, temp_gcd;
    while (b != 0) {
        int quotient = a / b;
        int remainder = a % b;
        a = b;
        b = remainder;
        temp_x = x2 - quotient * x1;
        x2 = x1;
        x1 = temp_x;
        temp_y = y2 - quotient * y1;
        y2 = y1;
        y1 = temp_y;
    }
    *x = x2;
    *y = y2;
    *gcd = a;
}

int main() {
    int a = 45;
    int b = 15;
    int x, y, gcd;
    extended_euclidean_algorithm(a, b, &x, &y, &gcd);
    printf("The GCD of %d and %d is %d\n", a, b, gcd);
    printf("The coefficients of Bezout's identity are %d and %d\n", x, y);
    return 0;
}

运行结果

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