首先来看中国剩余定理:
中国剩余定理是古代求解一阶线性同余式的方法,如以下这个同余方程组求解x。
中国剩余定理说明:假设
整数m1,
m2, ... ,
mn
两两互质,则对任意的整数:
a1,
a2, ... ,
an,方程组
有解,并且通解可以用如下方式构造得到:
设 M = m1*m2*…*mn 是整数m1,m2, … ,mn的乘积,并设 Mi = M/mi 是除了mi以外的n-1个整数的乘积。
设 ti = Mi^(-1) 为 Mi 模 mi 的数论倒数(ti 为 Mi 模 mi 意义下的逆元)
Mi*ti ≡ 1(mod mi),i∈{1,2,3,…,n}
方程组 (S) 的通解形式为
x = k*M + ∑(ai*ti*Mi),i∈{1,2,3,…,n},k∈Z
在模 M 的意义下,方程组(S)只有一个解如下图所示
拓展欧几里得定理:
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)=a*x+b*y。
如何求出x,y呢?当b=0时,很容易得出一组解x=1,y=0,我们知道b*x1+a%b*y1=gcd(b,a%b)=gcd(b,a%b),b*x1+a%b*y1=b*x1+(a-a/b*b)*y1=a*y1+b*(x1-a/b*y1).
由恒等定理可知 x=y1,y=x1-a/b*y1;然后即可递归求出一组解。
附上代码实现
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;
}
拓展欧几里得的应用
1、求解不定方程
对于方程a*x+b*y=c.求解x和y。gcd(a,b)为a和b的1最大公约数,若c%gcd(a,b)==0,则原方程有整数解,否则,无整数解。
对于求解方法,先用上述方法求出a*x+b*y=gcd(a,b)的一组特解x1,y1,则原方程的一组特解x2=x1*c/gcd(a,b),y2=y1*c/gcd(a,b);
原方程的通解为 x=x2+b/gcd(a,b)*k,y=y2-a/gcd(a,b)*k.其中k为任意整数。
2、求解同余方程
求解方程 ax≡b (mod n) 相当于求解方程 ax+ ny= b, (x, y为整数) ,用上述方法求解即可。
3、求逆元
同余方程ax≡b (mod n),如果 gcd(a,n)== 1,则方程只有唯一解。
在这种情况下,如果 b== 1,同余方程就是 ax=1 (mod n ),gcd(a,n)= 1。
这时称求出的 x 为 a 的对模 n 乘法的逆元。
对于同余方程 ax= 1(mod n ), gcd(a,n)= 1 的求解就是求解方程
ax+ ny= 1,x, y 为整数。这个可用扩展欧几里德算法求出,原同余方程的唯一解就是用扩展欧几里德算法得出的 x 。
void exgcd(LL a, LL b, LL& d, LL& x, LL& y) {
if (!b) { d = a; x = 1; y = 0; }
else { exgcd(b, a%b, d, y, x); y -= x*(a / b); }
}
LL inverse(LL a, LL n) { //求a对n的逆元,要求a与n互质
LL d, x, y;
exgcd(a, n, d, x, y);
return d == 1 ? (x + n) % n : -1;
}