扩展欧几里得

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贝祖定理是一个关于最大公约数的定理:

若a,b是整数,那么对于任意整数x,y,ax+by是gcd(a,b)的倍数,且一定存在x,y使得ax+by=gcd(a,b)成立。

定理内容较为简单,但光看定理的内容貌似没有太大用处,我们应该着手解决一下如何求出x,y,于是,可以引出扩展欧几里得。

扩展欧几里得

当求ax+by=gcd(a,b)时,我们可以用一组特解x0,y0来表示x和y的通解: x=x0+b/gcd(a,b)tx=x_0+b/gcd(a,b)*t y=y0+a/gcd(a,b)ty=y0+a/gcd(a,b)*t 这里的“/”为向下取整。 试图找出相邻两状态之间的关系: 当前状态有:a,b,以及一组解x,y 下一状态有:a,a%b,以及一组解x1,y1 因为a%b=a-(a/b)*b, 带入可得: gcd(a,b)=bx1+ay1(a/b)by1gcd(a,b)=bx_1+ay_1-(a/b)*by_1 =ay1+b(x1a/by1)=ay_1+b*(x_1-a/b*y_1) 于是可以发现: x=y1,y=x1(a/b)y1x=y_1,y=x_1-(a/b)*y_1 便可由下一状态通过递归得到现在的状态。

更简洁的证明

ax+by=gcd(a,b)设ax+by=gcd(a,b) ax2+by2=gcd(b,a mod b)=bx2+(a mod b)y2ax_2+by_2=gcd(b,a\space mod\space b)=bx_2+(a\space mod\space b)*y_2 由欧几里得算法得到:gcd(a,b)=gcd(b,a mod b)gcd(a,b)=gcd(b,a\space mod\space b) 即:ax+by=bx2+(a mod b)y2ax+by=bx_2+(a\space mod\space b)y_2a mod b=ab(a/b)a\space mod\space b=a-b*(a/b) 代入得: ax+by=bx2+(ab(a/b))y2=bx2+ay2b(a/b)y2ax+by=bx_2+(a-b*(a/b))*y_2=bx_2+ay_2-b*(a/b)*y_2 解得: x=y2x=y_2 by=bx2b(a/b)y2,解得:y=x2(a/b)y2by=bx_2-b*(a/b)*y_2,解得:y=x_2-(a/b)*y_2

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 = y;
    y = x - (a/b) * y;
    x = t;
    return r;
}

总结:

当欧几里得递归到最后时,此时的‘a’就是gcd(a,b),因而直接令x=1,y=0,再通过相邻两层递归之间的关系求解出上一层递归中的x,y。