歐幾里德演算法求最大公約數
歐幾里德演算法又稱輾轉相除法,用於計算兩個整數a,b的最大公約數。
定理:gcd(a,b) = gcd(b,a mod b)。
第一種可以寫成:
int Gcd(int a, int b)
{
while(b != 0)
{
int r = b;
b = a % b;
a = r;
}
return a;
}
也可寫成下面的形式,本質上一樣的。
int Gcd(int a, int b)
{
if(b == 0)
return a;
return Gcd(b, a % b);
}
Stein演算法
歐幾里德演算法是計算兩個數最大公約數的傳統演算法,他無論從理論還是從效率上都是很好的。但是他有一個致命的缺陷,這個缺陷只有在大素數時才會顯現出來。
考慮現在的硬體平臺,一般整數最多也就是64位,對於這樣的整數,計算兩個數之間的模是很簡單的。對於字長為32位的平臺,計算兩個不超過32位的整數的模,只需要一個指令週期,而計算64位以下的整數模,也不過幾個週期而已。但是對於更大的素數,這樣的計算過程就不得不由使用者來設計,為了計算兩個超過64位的整數的模,使用者也許不得不採用類似於多位數除法手算過程中的試商法,這個過程不但複雜,而且消耗了很多CPU時間。對於現代密碼演算法,要求計算128位以上的素數的情況比比皆是,設計這樣的程式迫切希望能夠拋棄除法和取模。
Stein演算法由J. Stein 1961年提出,這個方法也是計算兩個數的最大公約數。和歐幾里德演算法 演算法不同的是,Stein演算法只有整數的移位和加減法,這對於程式設計者是一個福音。
為了說明Stein演算法的正確性,首先必須注意到以下結論:
gcd(a,a) = a,也就是一個數和他自身的公約數是其自身
gcd(ka,kb) = k gcd(a,b),也就是最大公約數運算和倍乘運算可以交換,特殊的,當k=2時,說明兩個偶數的最大公約數必然能被2整除
有了上述規律就可以給出Stein演算法如下:
1.如果A=0,B是最大公約數,演算法結束
2.如果B=0,A是最大公約數,演算法結束
3.設定A1 = A、B1=B和C1 = 1
4.如果An和Bn都是偶數,則An+1 =An /2,Bn+1 =Bn /2,Cn+1 =Cn *2(注意,乘2只要把整數左移一位即可,除2只要把整數右移一位即可)
5.如果An是偶數,Bn不是偶數,則An+1 =An /2,Bn+1 =Bn ,Cn+1 =Cn (很顯然啦,2不是奇數的約數)
6.如果Bn是偶數,An不是偶數,則Bn+1 =Bn /2,An+1 =An ,Cn+1 =Cn (很顯然啦,2不是奇數的約數)
7.如果An和Bn都不是偶數,則An+1 =|An -Bn|,Bn+1 =min(An,Bn),Cn+1 =Cn
8.n++,轉4
這個演算法的原理很顯然,所以就不再證明了。現在考察一下該演算法和歐幾里德方法效率上的差別。
考慮歐幾里德演算法,最惡劣的情況是,每次迭代a = 2b -1,這樣,迭代後,r= b-1。如果a小於2N,這樣大約需要 4N次迭代。而考慮Stein演算法,每次迭代後,顯然AN+1BN+1≤ ANBN/2,最大迭代次數也不超過4N次。也就是說,迭代次數幾乎是相等的。但是,需要注意的是,對於大素數,試商法將使每次迭代都更復雜,因此對於大素數Stein將更有優勢。
判斷n是否為奇數or偶數,奇數返回0,偶數返回1。
bool is_even(int n)
{
return !(n & 1);
}
c++演算法程式碼:
bool is_even(int n)
{
return !(n & 1);
}
int gcd2(int m, int n)
{
int c = 1;
while (m != 0 && n != 0)
{
if (is_even(m) && is_even(n))
{
m >>= 1;
n >>= 1;
c <<= 1;
}
else if (is_even(m) && !is_even(n))
{
m >>= 1;
}
else if (!is_even(m) && is_even(n))
{
n >>= 1;
}
else if (!is_even(m) && !is_even(n))
{
int m1 = m;
int n1 = n;
m = abs(m-n); //crt庫函式
n = min(m1, n1);//crt巨集
}
}
return c * n;
}
AC code:
#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;
#define min(a,b) ((a)<(b)?(a):(b))
bool pd(int n)
{
return !(n&1);
}
int gcd(int n,int m)
{
int c=1;
if(n==0 && m)
return m;
if(n && m==0)
return n;
while(m && n && n!=m)
{
if(pd(n) && pd(m))
{
m>>=1;
n>>=1;
c<<=1;
}
else if(pd(n) && !pd(m))
{
n>>=1;
}
else if(!pd(n) && pd(m))
{
m>>=1;
}
else if(!pd(n) && !pd(m))
{
int m1=m;
int n1=n;
m=abs(n-m);
n=min(m1,n1);
}
}
return c*n;
}
int main()
{
int n,m;
while(cin>>n>>m)
{
cout<<n/gcd(n,m)*m<<endl;
}
return 0;
}