Euclid GCD算法原理

作者: dodorado | 来源:发表于2022-10-07 16:56 被阅读0次

Euclid GCD算法原理
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很早就学过欧几里得算法，但是一直不知道它的原理。几乎每本算法书都会提到它，但是貌似只有数学书上才会见到它的原理。。。前段时间粗粗看了点数论（《什么是数学》），惊讶于这个原理的奇妙。现在把它通俗地写下来，以免自己忘记。欧几里得算法是求两个数的最大公约数(Greatest Common Divisor (GCD))的算法，我们首先假设有两个数 $a$ 和 $b$ ，其中 $a$ 是不小于 $b$ 的数，记 $a$ 被 $b$ 除的余数为 $r$ ，那么 $a$ 可以写成这样的形式：
$a = bq + r$ 其中 $q$ 是整数（我们不需要去管 $q$ 到底是多少，这和我们的目标无关）。现在假设 $a$ 和 $b$ 的一个约数为 $u$ ，那么 $a$ 和 $b$ 都能被 $u$ 整除，即
$a = su$ $b = tu$ $s$ 和 $t$ 都是整数（同样的，我们只需要知道存在这样的整数 $s$ 和 $t$ 就行）。这样可以得出
$r = a - bq = su - (tu)q = (s - tq)u$ 所以 $r$ 也能被 $u$ 整除，一般规律如下

$a$ 和 $b$ 的约数也整除它们的余数 $r$ ，所以 $a$ 和 $b$ 的任一约数同时也是 $b$ 和 $r$ 的约数。 —— 条件一

反过来可以得出

$b$ 和 $r$ 的任一约数同时也是 $a$ 和 $b$ 的约数。 ——条件二

这是因为对 $b$ 和 $r$ 每一个约数 $v$ ，有
$b = kv$ $r = cv$ 于是有
$a = bq + r = (kv)q + cv = (kq + c)v$ 由条件一和条件二可知

$a$ 和 $b$ 的约数的集合，全等于 $b$ 和 $r$ 的约数的集合。

于是

$a$ 和 $b$ 的最大公约数，就是 $b$ 和 $r$ 的最大公约数。

接下来用递推法，
$a \div b$ 余 $r$ ，现在设
$b \div r$ 余 $r_1$
$r \div r_1$ 余 $r_2$
……
$r_{n-3} \div r_{n-2}$ 余 $r_{n-1}$
$r_{n-2} \div r_{n-1}$ 余 $r_n=0$

因为 $a \ge b$ ，可以看出余数 $r_n$ 会越来越小，最终变成 $0$ .
当 $r_{n-1} \neq 0$ 且 $r_n = 0$ 时，可知 $r_{n-2}$ 可被 $r_{n-1}$ 整除（余数为 $0$ 嘛）
此时 $r_{n-2}$ 和 $r_{n-1}$ 的约数就只有： $r_{n-1}$ 和 $r_{n-1}$ 的因数，
所以他们的最大公约数就是 $r_{n-1}$ ！
所以 $r_{n-1}$ 就是 $a$ 和 $b$ 的最大公约数。（若 $r = 0$ ，则 $b$ 为最大公约数）

这个递推法写成c语言函数是这样的（比推导更简洁…）:

unsigned int Gcd(unsigned int M,unsigned int N){
    unsigned int Rem;
    while(N){
        Rem = M % N;
        M = N;
        N = Rem;
    }
    return Rem;
}

可以发现这里没有要求 M>=N，这是因为如果那样，循环会自动交换它们的值。

P.S. 此外，还有最小公倍数(Least Common Multiple (LCM))算法，详见 GCD and LCM calculator

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本文标题：Euclid GCD算法原理

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