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全球信息:数学知识1.4
一、简述
记录有关拓展欧几里得算法。
【资料图】
二、拓展欧几里得算法
裴蜀定理:若 \(a,b\) 是整数,且 \(a\) 和 \(b\) 的最大公约数 \(gcd(a, b)=d\),那么任意的整数 \(x,y\),\(ax+by\) 一定是 \(d\) 的整数倍。特别地,一定存在整数 \(x,y\) 使得 \(ax+by=d\)。
对于任意的 \(a,b\in Z\),\(gcd(a,b)=d\),则关于 \(x,y\) 的线性丢番图方程(裴蜀等式):\(ax+by=m\),有整数解 \((x,y)\) 当且仅当 \(m\) 是 \(d\) 的倍数。裴蜀等式有解时必然存在无穷多解(例如:\(ax+by=m\),则 \((x-k\frac{b}{m},y+k\frac{a}{m})\),\(k\) 为整数)。
裴蜀定理的一个重要推论:\(a\) 和 \(b\) 互质的充要条件是存在整数 \((x,y)\) 使得 \(ax+by=1\)。
拓展欧几里得算法:对正整数 \(a,b\),有整数解 \((x,y)\),使其满足 \(ax+by=gcd(a,b)\)。求解思路如下:① 若 \(b=0\),则 \(gcd(a,b)=a\),则可取 \(x=1,y=0\) 使得 \(ax+by=gcd(a,b)=a\)。② 若 \(b\neq0\),则 \(ax+by=gcd(a,b)=gcd(b,a{\%}b)=d\)。而 \(bx"+(a\%b)y"=gcd(b,a\%b)=d\),而 \(a\%b=a-\lfloor {\frac{a}{b}} \rfloor ·b\),那么就可以得到 \(bx"+(a-\lfloor {\frac{a}{b}} \rfloor ·b)y"=d=ax+by\),展开得到 \(ay"+b(x"-\lfloor {\frac{a}{b}} \rfloor·y")=ax+by\),等价得到 \(ax"+b(y"-\lfloor {\frac{a}{b}} \rfloor·x")=ax+by\),\(x=x",y=y"-\lfloor {\frac{a}{b}} \rfloor·x"\)。
模板题AcWing 877. 扩展欧几里得算法
题目描述
给定 \(n\) 对正整数 \(a_i,b_i\),对于每对数,求出一组 \(x_i,y_i\),使其满足 \(a_i×x_i+b_i×y_i=gcd(a_i,b_i)\)。
输入格式
第一行包含整数 \(n\)。接下来 \(n\) 行,每行包含两个整数 \(a_i,b_i\)。
输出格式
输出共 \(n\) 行,对于每组 \(a_i,b_i\),求出一组满足条件的 \(x_i,y_i\),每组结果占一行。本题答案不唯一,输出任意满足条件的 \(x_i,y_i\) 均可。
数据范围
\(1≤n≤10^5,1≤a_i,b_i≤2×10^9\)
输入样例
24 68 18
输出样例
-1 1-2 1
C++代码
#include using namespace std;int n;int exgcd(int a, int b, int &x, int &y){ if(!b) { x = 1, y = 0; return a; } int d = exgcd(b, a % b, y, x); y -= a / b * x; return d;}int main(){ scanf("%d", &n); while(n --) { int a, b, x, y; scanf("%d%d", &a, &b); exgcd(a, b, x, y); printf("%d %d\n", x, y); } return 0;}
三、线性同余方程
\(ax\equiv b(mod\,m)\) 的方程。此方程有解当且仅当 \(b\) 能够被 \(a\) 与 \(m\) 的最大公约数整除,记作 \(gcd(a,m) | b\)。这时,如果 \(x_0\) 是方程的一个解,那么所有的解可以表示为:{\(x_0+k\frac{n}{d}|(k∈z)\)},其中 \(d\) 是 \(a\) 与 \(m\) 的最大公约数。在模 \(m\) 的完全剩余系 {\(0,1,…,n-1\)} 中,恰有 \(d\) 个解。由 \(ax\equiv b(mod\,m)\),则存在整数 \(y\) 使得 \(ax=my+b\),即 \(ax-my=b\),那么由裴蜀定理可知 \(b\) 为 \(gcd(a,m)\) 的倍数时才有整数解。
模板题AcWing 878. 线性同余方程
题目描述
给定 \(n\) 组数据 \(a_i,b_i,m_i\),对于每组数求出一个 \(x_i\),使其满足 \(a_i×x_i≡b_i(mod\,m_i)\),如果无解则输出 impossible
。
输入格式
第一行包含整数 \(n\)。接下来 \(n\) 行,每行包含一组数据 \(a_i,b_i,m_i\)。
输出格式
输出共 \(n\) 行,每组数据输出一个整数表示一个满足条件的 \(x_i\),如果无解则输出 impossible
。每组数据结果占一行,结果可能不唯一,输出任意一个满足条件的结果均可。输出答案必须在 \(int\) 范围之内。
数据范围
\(1≤n≤10^5,1≤a_i,b_i,m_i≤2×10^9\)。
输入样例
22 3 64 3 5
输出样例
impossible-3
C++代码
#include using namespace std;typedef long long LL;int n;int exgcd(int a, int b, int &x, int &y){ if(!b) { x = 1, y = 0; return a; } int d = exgcd(b, a % b, y, x); y -= a / b * x; return d;}int main(){ scanf("%d", &n); while(n --) { int a, b, m, x, y; scanf("%d%d%d", &a, &b, &m); int d = exgcd(a, m, x, y); if(b % d) puts("impossible"); else printf("%d\n", (LL)b / d * x % m); } return 0;}
全球信息:数学知识1.4
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