程序師世界是廣大編程愛好者互助、分享、學習的平台,程序師世界有你更精彩!
首頁
編程語言
C語言|JAVA編程
Python編程
網頁編程
ASP編程|PHP編程
JSP編程
數據庫知識
MYSQL數據庫|SqlServer數據庫
Oracle數據庫|DB2數據庫
 程式師世界 >> 編程語言 >> C語言 >> C++ >> C++入門知識 >> 歐幾裡德算法gcd及其拓展終極解釋,裡德gcd終極

歐幾裡德算法gcd及其拓展終極解釋,裡德gcd終極

編輯:C++入門知識

歐幾裡德算法gcd及其拓展終極解釋,裡德gcd終極


這個困擾了自己好久,終於找到了解釋,還有自己改動了一點點,耐心看完一定能加深理解

 
擴展歐幾裡德算法-求解不定方程,線性同余方程。
  設過s步後兩青蛙相遇,則必滿足以下等式:
    (x+m*s)-(y+n*s)=k*l(k=0,1,2....)
  稍微變一下形得:
    (n-m)*s+k*l=x-y
令n-m=a,k=b,x-y=c,即
    a*s+b*l=c
  只要上式存在整數解,則兩青蛙能相遇,否則不能。
  首先想到的一個方法是用兩次for循環來枚舉s,l的值,看是否存在s,l的整數解,若存在則輸入最小的s,
但顯然這種方法是不可取的,誰也不知道最小的s是多大,如果最小的s很大的話,超時是明顯的。
  其實這題用歐幾裡德擴展原理可以很快的解決,先來看下什麼是歐幾裡德擴展原理:
  歐幾裡德算法又稱輾轉相除法,用於計算兩個整數a,b的最大公約數。其計算原理依賴於下面的定理:
  定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)
  證明:a可以表示成a = kb + r,則r = a mod b
  假設d是a,b的一個公約數,則有
  d|a, d|b,而r = a - kb,因此d|r
  因此d是(b,a mod b)的公約數
  假設d 是(b,a mod b)的公約數,則
 d | b , d |r ,但是a = kb +r
  因此d也是(a,b)的公約數
  因此(a,b)和(b,a mod b)的公約數是一樣的,其最大公約數也必然相等,得證
  歐幾裡德算法就是根據這個原理來做的,其算法用C++語言描述為: 
  int Gcd(int a, int b)   {   if(b == 0)   return a; return Gcd(b, a % b);   }
  當然你也可以寫成迭代形式:
  int Gcd(int a, int b)   {   while(b != 0)   {   int r = b;    b = a % b;    a = r;   }   return a;   }
  本質上都是用的上面那個原理。
  補充: 擴展歐幾裡德算法是用來在已知a, b求解一組x,y使得a*x+b*y=Gcd(a,b)(解一定存在,根據數論中的相關定理)。擴展歐幾裡德常用在求解模線性方程及方程組中。下面是一個使
用C++的實現:
  int exGcd(int a, int b, int &x, int &y)   {   if(b == 0)   {   x = 1;   y = 0;    return a;   }   int r = exGcd(b, a % b, x, y);   int t = x;   x = y;   y = t - a / b * y;    return r;   }  
把這個實現和Gcd的遞歸實現相比,發現多了下面的x,y賦值過程,這就是擴展歐幾裡德算法的精髓。
  可以這樣思考:
  對於a' = b, b' = a % b 而言,我們求得 x, y使得 a'x + b'y = Gcd(a', b')
  由於b' = a % b = a - a / b * b (注:這裡的/是程序設計語言中的除法)
  那麼可以得到:
  a'x + b'y = Gcd(a', b') ===>   bx + (a - a / b * b)y = Gcd(a', b') = Gcd(a, b) ===>   ay +b(x - a / b*y) = Gcd(a, b)
  因此對於a和b而言,他們的相對應的p,q分別是 y和(x-a/b*y).
求解 x,y的方法的理解
  設 a>b。
  1,顯然當 b=0,gcd(a,b)=a。此時 x=1,y=0;
  2,ab<>0 時
  設 ax1+by1=gcd(a,b);
  bx2+(a mod b)y2=gcd(b,a mod b);
  根據樸素的歐幾裡德原理有 gcd(a,b)=gcd(b,a mod b);
  則:ax1+by1=bx2+(a mod b)y2;
  即:ax1+by1=bx2+(a-(a/b)*b)y2=ay2+bx2-(a/b)*by2;
  根據恆等定理得:x1=y2; y1=x2-(a/b)*y2;
  這樣我們就得到了求解 x1,y1 的方法:x1,y1 的值基於 x2,y2.
  上面的思想是以遞歸定義的,因為 gcd 不斷的遞歸求解一定會有個時候 b=0,所以遞歸可以
 結束。
  在網上看了很多關於不定方程方程求解的問題,可都沒有說全,都只說了一部分,看了好多之後才真正弄清楚不定方程的求解全過程,步驟如下:
  求a * x + b * y = c的整數解。
  1、先計算Gcd(a,b),若n不能被Gcd(a,b)整除,則方程無整數解;否則,在方程兩邊同時除以Gcd(a,b),得到新的不定方程a' * x + b' * y = c',此時Gcd(a',b')=1;
2、利用上面所說的歐幾裡德算法求出方程a' * x + b' * y = 1的一組整數解x0,y0,則c' * x0,c' * y0是方程a' * x + b' * y = c'的一組整數解;
  3、根據數論中的相關定理,可得方程a' * x + b' * y = c'的所有整數解為:

    其實我們求得的解只是一組,

    a*x0+lcm(a,b)+b*y0-lcm(a,b)=1;

    a*x                +b*y              =1;

    x=x0+b/gcd(a,b);y=y0-a/gcd(a,b);

    a/gcd(a,b)*x'+b/gcd(a,b)*y'=c/gcd(a,b);

    x'=c/gcd(a,b)*x0+b/gcd(a,b);y'=c/gcd(a,b)*y0-a/gcd(a,b);

 

x = c' * x0 + b' * t y = c' * y0 - a' * t (t為整數)
    上面的解也就是a * x + b * y = n 的全部整數解

  1. 上一頁:
  2. 下一頁:
Copyright © 程式師世界 All Rights Reserved