求解最大公约数——欧几里得算法及其（解同余方程）拓展

最大公约数的求法中最过著名的莫过于欧几里得辗展相除法，它有两种形式（递归与非递归，其实是一样的，任何递归都可以写成非递归），下面看看GCD的实现代码：

/***求a,b最大公约数***/

long long gcd(long long a, long long b) {

if(b == 0)

return a;

else

return gcd(b, a % b);

}

證明过程(摘自维基百科:zh.wikipedia.org/wiki/輾轉相除法)

設

欲證

先設

可得且知

表示d是b,r的公因數，但

所以

可得且知

表示e是a,b的公因數，但

所以

由可得知

/***扩展的欧几里德算法a*x + b*y = Gcd(a,b)的一组整数解，结果存在x,y中***/

void extend_gcd(long long a, long long b, long long&
x, long long &y) {

if(b == 0) {

x = 1;

y = 0;

return;

}

extend_gcd(b, a % b, x, y);

long long tmp = x;

x = y;

y = tmp - a / b * y;

}

上述程序只是得到了一组解，很显然解是不唯一的：x增加b, y减少a一定是原方程的一组解：

a *  (x + b)  + b * (y - a) = a * x + b * y = (a, b)。

然而在应用上，往往并不是如此简单，很多时候会求解不定方程a * x + b * y = n。这个时候还是应用上面的算法：

1. 求(a，b), 设c = (a，b)，如果! c|n，则不存在整数解。因为将上式左右两边都除以c，可以知道，左边为整数，右边为非整数，故矛盾。
2. 将左右两边同时除以c,设得到新的方程为a‘ * x + b‘ * y = n‘，应用上述算法求a‘ * x + b‘ * y = 1的解（由第一步知道(a‘，b‘) = 1）。设结果为x‘, y‘。
3. x = x‘ * n‘ , y = y‘ * n‘是方程a * x + b * y = n。这个比较好理解，将a‘ * x + b‘ * y = 1两边同时扩大n‘倍就行了。
4. x = x‘ * n‘ + t * b, y = y‘ * n‘ - t * a（t为整数)是原方程a * x + b * y = n的所有解。

线性同余方程实现代码：

/*
  扩展欧几里得定理
  扩展欧几里得定理：对于两个不全为0的整数a、b，必存在一组解x,y，
  使得ax+by==gcd(a,b);
  拓展欧几里得实现
  下面面的程序中,x和y用全局变量保存
  int gcd(int a,int b)
  {
    int t,d;
    if(b==0)
    {
        x=1;
        y=0;
	//此时b==0，也就是说gcd(a,0)==a。原式变为ax+by==a=gcd(a,b)--> x==1,y==0
        return a; //返回a,b最大公约数的值
    }
    d=gcd(b,a%b); //欧几里得求最大公约数应用
    t=x;
    x=y;
    y=t-(a/b)*y;  //不明处2
    return d;     //返回a,b最大公约数的值
  }
  //不明处2 解释 ax+by==gcd(a,b)（1）
    说明规则，x,y表示第一次递归时的值，x1,y1表示第二次递归时的值。
	那么gcd(a,b)==gcd(b,a%b)，同时都代入式1，
	有ax+by==b*x1+(a%b)*y1。将右边变形一下
    b*x1+(a%b)*y1==b*x1+(a-(a/b)*b)*y1==a*y1+b*(x1-(a/b)*y1)，
	最终得到ax+by==a*y1+b*(x1-(a/b)*y1)
    也就是说：
	上一深度的x等于下一深度的y1，
	上一深度的y等于下一深度的x1-(a/b)*y1。
   *需要注意，上面推导时用的除法都是整型除法

    因此，得到了不定式ax+by==gcd(a,b)的一组解，x、y。
    那么对于一般的不定式ax+by==c，它的解应该是什么呢。
	很简单，x1=x*(c/gcd(a,b)),y1=y*(c/gcd(a,b)) 

	再深入一点，就解出这么一组解其实一般来说是解决不了什么问题的，
	我们现在要得到所有的解，那么这所有的解究竟是什么呢？
	假设d=gcd(a,b). 那么x=x0+b/d*t; y=y0-a/d*t;其中t为任意常整数。

*/ 

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

/*
  求关于 x 的同余方程 ax ≡ 1 (mod b)的最小正整数解。
  即求ax=mb+r 1=nb+r
  变形ax+(n-m)b=1，此方程即拓展欧几里德的应用ax+by=gcd(a,b),（n-m相当于y）
  事实上ax ≡1(mod b) 有解的必要条件是gcd(a,b)|1，即gcd(a,b)=1；
  使用拓展欧几里得可知 ax+by=1（x,y是整数）
*/

int  Extragcd(int a,int b,int *x,int *y)
{
	int d,t;
	if(b==0)  //递归调用终止条件，当根据欧几里得辗转相除法则，余数为0停止
	{
		*x=1;
		*y=0;
		return a;
	}
	else
	{
		d=Extragcd(b,a%b,x,y);
		t=*x;     //根据下一个x1,y1的值，倒推前一个x,y的值
		*x=*y;
		*y=t-a/b*(*y);
		return d;
	}
}

int main()
{
	int a,b,x,y;
	int ans;
	freopen("mod.in","r",stdin);
	freopen("mod.out","w",stdout);
	scanf("%d%d",&a,&b);
	ans=Extragcd(a,b,&x,&y);
	if(ans!=1) return 0;
	//根据若x是方程的一个解，则方程的所有解为x+k*b k为整数
    x=x%b; //保证最小的正整数解x ,且x属于{0,1,2,3...b-1}
    while(x<=0)
        x+=b ;
    printf("%d\n",x);
    return 0;
}