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

运行结果




每一个不曾起舞的日子,都是对生命的辜负。
扩展欧几里德算法可以用来解模线性方程,其中就包括解模逆元的问题。假设我们需要解 a 在模 m 意义下的逆元 x,即 ax ≡ 1 (mod m),那么就可以使用扩展欧几里德算法解。 具体步骤如下: 1. 用欧几里得算法出 a m 的最大公约数 gcd(a, m),如果 gcd(a, m) 不等于1,则 a 在模 m 意义下没有逆元2. 使用扩展欧几里德算法出 ax + my = gcd(a, m) 的一组整数解 (x, y)。 3. 如果 gcd(a, m) 等于1,则 ax ≡ 1 (mod m) 的一个解就是 x,但是 x 可能为负数或者大于等于 m,因此需要对 x 做一些调整,使得 x 在 [0, m) 范围内。 以下是使用 C 语言实现的代码: ```c #include <stdio.h> // 扩展欧几里德算法解 ax + my = gcd(a, m) 的一组整数解 (x, y) int exgcd(int a, int b, int *x, int *y) { if (b == 0) { *x = 1; *y = 0; return a; } int d = exgcd(b, a % b, y, x); *y -= a / b * (*x); return d; } // 解模逆元 ax ≡ 1 (mod m) int mod_inv(int a, int m) { int x, y; int d = exgcd(a, m, &x, &y); if (d != 1) { printf("%d 在模 %d 意义下没有逆元\n", a, m); return -1; } return (x % m + m) % m; } int main() { int a = 3, m = 11; int x = mod_inv(a, m); if (x != -1) { printf("%d 在模 %d 意义下的逆元是 %d\n", a, m, x); } return 0; } ``` 上面的代码中,exgcd 函数用于解 ax + my = gcd(a, m) 的一组整数解 (x, y)。如果 gcd(a, m) 不等于1,则表示 a 在模 m 意义下没有逆元,此时 mod_inv 函数返回 -1。否则,mod_inv 函数返回 x 的值,表示 a 在模 m 意义下的逆元。注意,最后需要对 x 做一些调整,使得 x 在 [0, m) 范围内。
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