欧几里得算法 欧几里德算法又称辗转相除法,用于计算两个整数a,b的最大公约数。基本算法:设a=bq+r,其中a,b,q,r都是整数,则gcd(a,b)=gcd(b,r),即gcd(a,b)=gcd(b,a%b)。

证明引自离散数学课本:

先看一个整除定理与推论:

现在我们知道了 a 和 b 的最大公约数是 gcd ,那么,我们一定能够找到这样的 x 和 y ,使得: a*x + b*y = gcd 这是一个不定方程(其实是一种丢番图方程),有多解是一定的,但是只要我们找到一组特殊的解 x0 和 y0 那么,我们就可以用 x0 和 y0 表示出整个不定方程的通解:

x = x0 + (b/gcd)*t

y = y0 – (a/gcd)*t

为什么不是:

x = x0 + b*t

y = y0 – a*t

那是因为:

b/gcd 是 b 的因子, a/gcd 是 a 的因子是吧?那么,由于 t的取值范围是整数,你说 (b/gcd)*t 取到的值多还是 b*t 取到的值多?同理,(a/gcd)*t 取到的值多还是 a*gcd 取到的值多?那肯定又要问了,那为什么不是更小的数,非得是 b/gcd 和a/gcd ?

注意到:我们令 B = b/gcd , A = a、gcd , 那么,A 和 B 一定是互素的吧?这不就证明了 最小的系数就是 A 和 B 了吗?

现在,我们知道了一定存在 x 和 y 使得 : a*x + b*y = gcd , 那么,怎么求出这个特解 x 和 y 呢?只需要在欧几里德算法的基础上加点改动就行了。

扩展欧几里得算法 扩展欧几里德算法是欧几里得算法的扩展。

定理:若a和b为正整数,则存在整数x,y使得gcd(a,b)=ax+by;

换句话说gcd(a,b)可以表示为a,b的整洗数线性组合,例如:gcd(6,14)=2,而2=(-2)*6+1*14.

已知整数a、b,扩展欧几里得算法可以在求得a、b的最大公约数的同时,能找到整数x、y(其中一个很可能是负数),使它们满足贝祖等式ax+by=gcd(a,b).有两个数a,b,对它们进行辗转相除法,可得它们的最大公约数,然后,收集辗转相除法中产生的式子,倒回去,可以得到ax+by=gcd(a,b)的整数解。

用类似辗转相除法,求二元一次不定方程252x+198y=18的整数解。

252=1*198+54

198=3*54+36

54=1*36+18

36=2*18

用倒数第二个除法(正数第三个),可以把gcd(254,198)=18表示为54和36的线性组合,即

18=54-1*36

第二个除法说明:

36=198-3*54

将36的这一表达式带入前一等式,可以把18表示为54和198的线性组合,也就是:

18=54-1*36=54-1*(198-3*54)=4*54-1*198.

第一个除法说明:

54=252-1*198.

带入上面等式:

18=4*(252-1*198)-1*198=4*252-5*198.

结论问题得解:x=4,y=-5.

基本算法:对于不完全为 0 的非负整数 a,b,gcd(a,b)表示 a,b 的最大公约数,必然存在整数对 x,y ,使得 gcd(a,b)=ax+by。

欧几里德算法停止的状态是: a= gcd , b = 0 // 1

推理 2 , ab!=0 时

设 ax1+by1=gcd(a,b);

bx2+(a%b)y2=gcd(b,a%b);

根据朴素的欧几里德原理有 gcd(a,b)=gcd(b,a%b);

则 :ax1+by1=bx2+(a%b)y2;

即 :ax1+by1=bx2+(a-(a/b)*b)y2=ay2+bx2-(a/b)*by2;

令a/b=k;

得ax1+by1=bx2+(a-k*b)y2=ay2+b(x2-k*y2)= ay2+b(x2-a/b*y2) ;

根据恒等定理得: x1=y2; y1=x2-(a/b)*y2; // 2

这样我们就得到了求解 x1,y1 的方法: x1 , y1 的值基于 x2 , y2.

上面的思想是以递归定义的,因为 gcd 不断的递归求解一定会有个时候 b=0 ,所以递归可以结束。

扩展欧几里德的递归代码:
#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;
int exgcd(int a,int b,int &x,int &y)
    if(b==0)
    {            //1的情况
        return a;
    int r=exgcd(b, a%b, x, y);
    int t=y;
    y=x-(a/b)*y;     //2的情况
    return r;
int main()
    int x,y;
    exgcd(252,198, x, y);
    cout<<"252x+198y=18的一个整数解为:"<<endl;
    cout<<"x="<<x<<" "<<"y="<<y<<" "<<endl;
    return 0;

扩展欧几里德的非递归代码:

先来理解下面推的公式。

对于不定整数方程pa+qb=c,若 c mod gcd(p, q)=0,则该方程存在整数解,否则不存在整数解。
  上面已经列出找一个整数解的方法,在找到p * a+q * b = gcd(p, q)的一组解p0,q0后,p * a+q * b = gcd(p, q)的其他整数解满足:
  p = p0 + b/gcd(p, q) * t 
  q = q0 - a/gcd(p, q) * t(其中t为任意整数)
  至于pa+qb=c的整数解,只需将p * a+q * b = gcd(p, q)的每个解乘上 c/Gcd(p, q) 即可。

  在找到p * a+q * b = gcd(a, b)的一组解p0,q0后,应该是得到p * a+q * b = c的一组解p1 = p0*(c/Gcd(a,b)),q1 = q0*(c/Gcd(a,b)),

  p * a+q * b = c的其他整数解满足:

  p = p1 + b/gcd(a, b) * t   q = q1 - a/gcd(a, b) * t(其中t为任意整数)   p 、q就是p * a+q * b = c的所有整数解。

二、求乘法逆元

如果a×b≡1 mod n,则a、b互为乘法逆元(也就是(a*b)%n=1)。

扩展欧几里德算法不仅可以用来求两个正整数的最大公约数,如果这两个正整数互素,还能确定他们的逆元。
定义:如果整数b≥1,gcd(a , b)=1,那么a有一个模b的乘法逆元a-1,使得
a×a-1 ≡1mod b
在这里a-1叫做a模b的乘法逆元。
定理:若任给整数a>0, b>0, 则存在两个整数m, n使得
gcd(a, b) = ma + nb
若a与b互素,则ma + nb=1 (注:m,n具有相反的正负号) ,即
≡1 mod b
因此a模b的乘法逆元为m,若求出这个m,则求到了a模b的乘法逆元

若a与b不互素,则a模b没有乘法逆元!

一般,我们能够找到无数组解满足条件,但是一般是让你求解出最小的那组解,怎么做?我们求解出来了一个特殊的解 x0 那么,我们用 x0 % m其实就得到了最小的解了。为什么?

可以这样思考:

    x 的通解不是 x0 + n*t(n>=0的整数) 吗?

    那么,也就是说, a 关于 m 的逆元是一个关于 m 同余的,那么根据最小整数原理,一定存在一个最小的正整数,它是 a 关于m 的逆元,而最小的肯定是在(0 , m)之间的,而且只有一个,这就好解释了。

    可能有人注意到了,这里,我写通解的时候并不是 x0 + (m/gcd)*t ,但是想想一下就明白了,gcd = 1,所以写了跟没写是一样的,但是,由于问题的特殊性,有时候我们得到的特解 x0 是一个负数,还有的时候我们的 m 也是一个负数这怎么办?

    当 m 是负数的时候,我们取 m 的绝对值就行了,当 x0 是负数的时候,他模上 m 的结果仍然是负数(在计算机计算的结果上是这样的,虽然定义的时候不是这样的),这时候,我们仍然让 x0 对abs(m) 取模,然后结果再加上abs(m) 就行了,于是,我们不难写出下面的代码求解一个数 a 对于另一个数 m 的乘法逆元:

int cal(int a,int n)
    int x,y;
    int gcd(ex_gcd(a, n, x, y));
    if(1%gcd!=0)
        return -1;
    x*=1/gcd;
    n=abs(n);
    int ans=x%n;
    if(ans<=0)
        ans+=n;
    return ans;
欧几里得算法也称为辗转相除法,用于计算两个数的最大公因数,一般用gcd(a,b)来表示a和b的最大公因数。
欧几里得算法基于下面的这个定理
设a、b均为正整数,则gcd(a,b)=gcd(b,a%b)
证明:设a=k*b+r,k和r分别是a除以b得到的商和余数
则有r-a=k*b成立
设d是a和b的公约数
那么由r=a-k*b,得d也是r的一个因数
因此d是b和r的公因数
因此d既是a和b的公因数,也是b和a%b的公因数
那么,最大公因数也相等
即gcd=(a,b)=gcd(b,a%b)
				
扩展欧几里得算法是欧几里得算法(又叫辗转相除法)的扩展。通常谈到最大公因子时, 我们都会提到一个非常基本的事实: 给予二整数 a 与 b, 必存在有整数 x 与 y 使得ax + by = gcd(a,b)。因此,有两个数a,b,对它们进行辗转相除法,可得它们的最大公约数;然后,收集辗转相除法中产生的式子,倒回去,可以得到ax+by=gcd(a,b)的一组整数特解。 以下是扩展欧几里得算法的python实现: #扩展欧几里得算法 def ext_gcd(a, b): if b =
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关于欧几里得算法,贝祖等式,扩展欧几里得算法,Wikipedia的解释非常非常详细了。 另外,看了好多别人优秀的总结,我认为最详尽的就是ACM之家的总结。 这里自己再总结一次…实际上就是把别人总结的,我认为有助于自己理解的内容copy过来,再加上几句自己的理解。本文包括: 欧几里德算法 递归实现 欧几里德算法 非递归实现 扩展欧几里德算法 递归实现 扩展欧几里德算法 非递归实现