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最大公约数的算法

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一,两个数的最大公约数:

1、欧几里德算法

 

欧几里德算法又称辗转相除法,用于计算两个整数a,b的最大公约数。其计算原理依赖于下面的定理:

定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)

证明:a可以表示成a = kb + r,则r = a mod b

假设d是a,b的一个公约数,则有

d|a, d|b,而r = a - kb,因此d|r

因此d是(b,a mod b)的公约数

假设d 是(b,a mod b)的公约数,则

d | b , d |r ,但是a = kb +r

因此d也是(a,b)的公约数

因此(a,b)和(b,a mod b)的公约数是一样的,其最大公约数也必然相等,得证

欧几里德算法就是根据这个原理来做的,其算法用C++语言描述为:

void swap(int & a, int & b){

     int c = a;

       a = b;

       b = c;

}

int gcd(int a,int b){

     if(0 == a ){

         return b;

     }

     if( 0 == b){

         return a;

     }

     if(a > b){

         swap(a,b);

     }

     int c;

     for(c = a % b ; c > 0 ; c = a % b){

           a = b;

           b = c;

     }

     return b;

}

2、Stein算法

欧几里德算法是计算两个数最大公约数的传统算法,它无论从理论还是从效率上都是很好的。但是有一个致命的缺陷,这个缺陷只有在大素数时才会显现出来。

考虑现在的硬件平台,一般整数最多也就是64位,对于这样的整数,计算两个数之间的模是很简单的。对于字长为32位的平台,计算两个不超过32位的整数的模,只需要一个指令周期,而计算64位以下的整数模,也不过几个周期而已。但是对于更大的素数,这样的计算过程就不得不由用户来设计,为了计算两个超过 64位的整数的模,用户也许不得不采用类似于多位数除法手算过程中的试商法,这个过程不但复杂,而且消耗了很多CPU时间。对于现代密码算法,要求计算 128位以上的素数的情况比比皆是,设计这样的程序迫切希望能够抛弃除法和取模。

Stein算法由J. Stein 1961年提出,这个方法也是计算两个数的最大公约数。和欧几里德算法 算法不同的是,Stein算法只有整数的移位和加减法,这对于程序设计者是一个福音。

为了说明Stein算法的正确性,首先必须注意到以下结论:

gcd(a,a) = a,也就是一个数和它自身的公约数是其自身

gcd(ka,kb) = k gcd(a,b),也就是最大公约数运算和倍乘运算可以交换,特殊的,当k=2时,说明两个偶数的最大公约数必然能被2整除

C++/java 实现

 

// c++/java stein 算法

int gcd(int a,int b){

     if(a<b){//arrange so that a>b

         int temp = a;

           a = b;

           b=temp;

     }

     if(0==b)//the base case

        return a;

     if(a%2==0 && b%2 ==0)//a and b are even

         return 2*gcd(a/2,b/2);

     if ( a%2 == 0)// only a is even

         return gcd(a/2,b);

     if ( b%2==0 )// only b is even

         return gcd(a,b/2);

     return gcd((a+b)/2,(a-b)/2);// a and b are odd

}

二,多个数的最大公约数:(python实现:取出数组a中最小的,从2到最小的循环,找出其中最大的能被数组中所有数整除的那个数,就是最大公约数)

def gcd(a):

    a.sort()

    min = a[0]

    result = 1

    for i in range(2, min+1):

        flag = True

        for j in a:

            if j % i != 0:

                flag = False

        if flag == True:

            result = i

    return result

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