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二元一次不定方程(Exgcd)(更方便的解法)

转载 作者:撒哈拉 更新时间:2024-11-02 20:10:36 58 4
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扩展欧几里得算法(Exgcd)

裴蜀定理

对于任意一组整数 \(a,b\),存在一组整数 \(x,y\),满足 \(ax+by=\gcd(a,b)\).

Proof:

考虑数学归纳法.

当 \(b=0\) 时,由于 \(\gcd(a,0)=a\),则对于 \(ax+0y=a\) 这个不定方程,\(x=1\),\(y\) 取任意整数.

假设存在一组整数 \(x,y\),满足 $bx+(a\bmod b)y=\gcd(b,a\bmod b)=\gcd(a,b) $.

那么接下来证明也存在一组整数 \(x',y'\) 满足 \(ax'+by'=\gcd(a,b)\).

\[\begin{aligned} bx+(a\bmod b)y &= bx+(a-b\lfloor\dfrac{a}{b}\rfloor)y\\ &= bx+ay-b\lfloor\dfrac{a}{b}\rfloor y\\ &= ay+b(x-\lfloor\dfrac{a}{b}\rfloor y) \end{aligned} \]

当 \(x'=y,y'=x-\lfloor\dfrac{a}{b}\rfloor y\) 时满足条件.

那么利用辗转相除法进行递归,总能递归到 \(b=0\) 的情况。命题得证.

Exgcd

求关于 \(x,y\) 的方程 \(ax+by=c\) 的整数解.

设 \(d=\gcd(a,b)\),方程有整数解的充要条件是 \(d\mid c\).

Proof:

设 \(a=k_1d,b=k_2d\),则有 \(k_1dx+k_2dy=c \Rightarrow k_1x+k_2y=\dfrac{c}{d}\).

先证必要性: 由于 \(\dfrac{c}{d}\) 必须为整数,则 \(d \mid c\).

再证充分性:上式中,\(k_1\perp k_2\),则方程 \(k_1x'+k_2y'=1\) 一定有整数解。由于 \(\dfrac{c}{d} \in\mathbb{Z}\),那么原方程也一定有整数解.

先将方程化简,两边同除以 \(d\)。此时 \(a,b\) 互质.

注意,为了方便表述,下面提到的方程都是化简后的方程.

那么我们可以先利用裴蜀定理求出 \(ax'+by'=1\) 的一组特解 \(x',y'\),从而求出原方程的一组特解 \(x_0=cx’,y_0=cy'\).

考虑如何求出通解.

让 \(x\) 加上一个数,那么 \(y\) 就要减去一个数。设这两个数为 \(\Delta_x,\Delta_y\),则有:

\[\begin{aligned} a(x+\Delta_x)+b(y-\Delta_y) &= c\\ ax+a\Delta_x+by-b\Delta_y &= c\\ a\Delta_x-b\Delta_y&=0\\ a\Delta_x &= b\Delta_y \\ \dfrac{a}{b} &= \dfrac{\Delta_y}{\Delta_x} \end{aligned} \]

由于 \(a,b\) 互质,则 \(\dfrac{a}{b}\) 为最简整数比,则有 \(a \mid \Delta_y\) 且 \(\ b\mid \Delta_x\).

由于 \(\Delta_x,\Delta_y \in \mathbb{Z}\),则 \(\Delta_x\) 最小取到 \(b\),\(\Delta_y\) 最小取到 \(a\).

通解即为:

\[\begin{cases} x=x_0+kb\\ y=y_0+ka\\ \end{cases} (k\in \mathbb{Z}) \]

代回原方程,可以消掉 \(kb,ka\).

接下来考虑,当存在正整数解时,如何求出最小正整数解与正整数解的个数.

对 \(x\) 的通解进行变形,求 \(x\) 的最小正整数解 \(x_1\):

\[\begin{aligned} x_1 \bmod b &= (x_0+kb) \bmod b\\ x_1 \bmod b &= x_0 \bmod b\\ x_1&=(((x_0-1) \bmod b)+b)\bmod b+1 \end{aligned} \]

先减一是为了避免 $x_0 \bmod a $ 一开始就为 \(0\) 的情况,从而保证 \(x_1>0\).

易得,当 \(x\) 增大时,\(y\) 减小。当 \(x\) 取 \(x_1\) 时,\(y\) 取到最大正整数解 \(y_2\).

同理,求出 \(y\) 的最小正整数解 \(y_1\),当 \(y\) 取 \(y_1\) 时,\(x\) 取到最大正整数解 \(x_2\).

由通解公式可得,\(x\) 每两个整数解之间相差 \(b\),\(y\) 每两个整数解之间相差 \(a\).

正整数解的个数即为 \(\dfrac{x_2-x_1}{b}+1\) 或 \(\dfrac{y_2-y_1}{a}+1\).

Ex.1 【模板】二元一次不定方程 (exgcd)

根据上面的分析,套用公式即可.

ll T,A,B,C,x,y,d,x1,x2,y1,y2,cnt; 

ll GetX(ll Y){return (C-B*Y)/A;}

ll GetY(ll X){return (C-A*X)/B;}

ll Exgcd(ll a,ll b,ll &x,ll &y){
	if(b==0) return x=1,y=0,a;
	ll res=Exgcd(b,a%b,x,y);
	ll z=x;
	x=y;
	y=z-(a/b)*y;
	return res;
}

void Solve(){
	read(A),read(B),read(C);
	d=Exgcd(A,B,x,y);
	if(C%d) return puts("-1"),void();
	A/=d,B/=d,C/=d;
	x*=C,y*=C;
	x1=((x-1)%B+B)%B+1;
	y2=GetY(x1);
	y1=((y-1)%A+A)%A+1;
	x2=GetX(y1);
	cnt=(x2-x1)/B+1;
	if(y2<=0) printf("%lld %lld\n",x1,y1);
	else printf("%lld %lld %lld %lld %lld\n",cnt,x1,y1,x2,y2);
}

Ex.2 [NOIP2012 提高组] 同余方程

对式子进行变形:

\[\begin{aligned} ax &\equiv 1 \pmod{b}\\ ax+by &= 1 \end{aligned} \]

利用 Exgcd 求解即可.

这是非常常用的变形技巧,也是当 \(a,b\) 互质但 \(b\) 不是质数时求逆元的方法.

Ex.3 青蛙的约会

设跳跃 \(k\) 次后两青蛙相遇,则可列出方程:

\[\begin{aligned} x+kn &\equiv y+km &\pmod{L}\\ (x-y)+k(n-m) &\equiv 0 &\pmod{L}\\ (x-y)+k(n-m) &= pL\\ k(n-m)-pL&=y-x\\ kS-pL&=C \end{aligned} \]

其中 \(S,L,C\) 为常数.

把 \(k,p\) 看作未知数,利用 Exgcd 求 \(k\) 的最小正整数解即可.

最后此篇关于二元一次不定方程(Exgcd)(更方便的解法)的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于二元一次不定方程(Exgcd)(更方便的解法)的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章,希望大家以后支持我的博客! 。

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