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作算法题时,经常遇到的一个问题就是求AX+BY=C的问题。穷举法往往因为耗时太多而变得不可行,因此需要一些算法来进行优化。

比较常见的就是扩展的欧几里得算法,简单整理和总结如下


定理1:若gcd(A, B)大于1且不能整除C,则该方程不存在整数解。

证明:反证法,若存在整数X1,Y1,使得AX1+BY1=C,且C不能被gcd(A,B)(设为D)整除

C=AX1+BY1=(A/D)*D*X1+(B/D)*D*Y1=(A/D*X1+B/D*Y1)*D,显然与假设矛盾,因此得证。

根据定理1,当gcd(A,B)大于1,且可以整除C的时候,可以先将两边同除以gcd(A,B),得到A'X+B'Y=C',该方程与原方程同解。因此,接下来我们仅讨论gcd(A,B)为1的情况。

对于这种情况,可以先求出AX+BY=1的解(X0,Y0),接着就可以得知(C*X0,C*Y0)就是原方程的解了。


定理2:A,B的所有公约数D,均可以整除AX+BY

证明略,比较简单

推论2.1:A,B的最大公约数,是集合S{V| V>0, V=AX+BY}中最小的一个数

证明: 因为所有的公约数一定能整除最大公约数,所以gcd(A,B)一定属于集合S,另外,gcd(A,B)能整除S中的任意成员,因此gcd(A,B)只能是该集合中的最小数。

根据推论2.1,解方程AX+BY=1,和求解A,B的最大公约数有很大的关系

根据欧几里得定理,若a>b, 则gcd(a, b)=gcd(b, a%b),因此作如下扩展

AX+BY=BX1+(A%B)Y1,展开左边的A,可以得到(A/B*B+A%B)X+BY=BX1+(A%B)Y1,

不妨取X=Y1,则可以得到Y=X1-(A/B)Y1,对应的代码

/***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;
}


当求得了AX+BY=C的一个解(X1,Y1)后,可以进一步得到其余的解的形式如下

X=X1+B*t

Y=Y1-A*t,其中t为整数

至此,方程AX+BY=C的整数解求出。


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gcd(a,b), 设c = gcd(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(此时gcd(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。
posted on 2009-10-01 23:44 baby-fly 阅读(791) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: Algorithm

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