各大定理及证明(裴蜀定理,威尔逊定理,费马定理,扩展欧几里得,欧拉定理,扩展欧拉定理,中国剩余定理,扩展中国剩余定理)

在这里插入图片描述

同余,整除

整除的性质:

1.传递性:若\(a|b,b|c\),则\(a|c\)
2.\(a|b,a|c\)等价于对于任意的整数\(x,y\),有\(a|(bx+cy)\)
3.设\(m≠0\),则\(a|b\)等价于\(ma|mb\)
4.设整数\(x,y\)满足\(ax+by=1,a|n,b|,n\),则\((ab)|n\)
5.若\(b=q*d+c\),则\(d|b\)的充要条件是\(d|c\)


同余的性质:

1.同加性:若\(a\equiv b(mod\ p)\),则\(a+c\equiv b+c(mod\ p)\)
2.同减性:若\(a\equiv b(mod\ p)\),则\(a-c\equiv b-c(mod\ p)\)
3.同乘性:若\(a\equiv b(mod\ p)\),则\(a\times c\equiv b\times c(mod\ p)\)
4.同除性:若\(a\equiv b(mod\ p),c|a,c|b,(c,p)=1\),则\(a/c\equiv b/c(mod\ p)\)
5.同幂性:若\(a\equiv b(mod\ p),c>0\),则\(a^c\equiv b^c(mod\ p)\)
6.若\(a\% p=x,a\% q=x,(p,q)=1\),则\(a\% (p*q)=x\)


数论常识:

1.若2能整除a的最末位,则\(2|a\)
2.若4能整除a的末两位,则\(4|a\)
3.若8能整除a的末三位,则\(8|a\)
4.若3能整除a的各位数字之和,则\(3|a\)
5.若9能整除a的各位数字之和,则\(9|a\)
6.若11能整除a的偶数位数字之和与奇数位数字之和的差,则\(11|a\)
7.能被\(7,11,13\)整除的数的特征是:这个数的末三位与末三位以前的数字所组成数之差能被\(7,11,13\)整除


在这里插入图片描述

模运算

1.分配率

\((a+b)\% c=(a\% c+b\% c)\% c\)\( \)(a-b)% c=(a% c-b% c)% c$$
\((a\times b)\% c=(a\% c\times b\% c)\% c\)\( \)(a^b)% c=(a% c)^b% c$$

2.放缩性

如果\(a\% b=c,d≠0\),则有\((a\times d)\%(b\times d)=c\times d\)
如果\(a\%b=c,d|a,d|b\),则\((a/d)\%(b/d)=(c/d)\)

根据放缩性,则除法取余有式子↓
\(a/b\%c=a\%(b\times c)/b\)


埃式筛法

先把\(n\)以内的\(2\)的倍数(不包含\(2\))全部删除,再把\(n\)以内的\(3\)的倍数(不包含\(3\))全部删除,......,
这样做下去,最后剩下的以内的数全为质数
这里的删除其实不是真的删除,只是打上一个删除标记而已
每个数都会被它的质因子打一次标记,而一个数的不同的质因子个数不超过\(logN\)
所以时间复杂度为\(O(NlogN)\)

void getprime( int n ) {
	for( int i = 2;i <= n;i ++ ) {
		if( flag[i] ) continue;
		prime[++ cnt] = i;
		for( int j = i;j <= n / i;j ++ )
			flag[j * i] = 1;
	}
}

欧拉筛法

在上述的埃氏筛法中,一个数可能被它的各个质因子都筛了一遍
而一个数的质因子种类数是不会超过\(logN\)的,所以时间复杂度为\(O(NlogN)\)
而欧式筛法保证每个数只被它的最小质因子筛一遍,这样,时间复杂度便降成了\(O(N)\)


有一个质数集合\(S\),一开始,质数集合为空
同时有一个\(bool\)数组\(flag\),表示删除标记

有两层循环:
外层循环从\(2\)开始枚举倍数,设当前枚举的量为\(a\)
如果\(a\)是质数,则将\(a\)加入质数集合
内层循环枚举质数集合中的元素,将数组中它们的\(a\)倍全部打上删除标记
显然,未打删除标记的数都是质数了(\(flag\)数组中下标小于\(2\)的元素是无效的,不用考虑)

但现在的时间复杂度仍然是\(O(NlogN)\)的,接下来,要用一个优化来完成\(O(N)\)的蜕变

设当前倍数为\(a\),在内层循环中,设当前枚举到集合\(S\)中的第\(i\)个质数\(p_i\)
先将\(i*p_i\)打上标记
如发现\(i\)\(p_i\)的倍数时
此时后续的质数就无需再枚举了,可以提前退出内层循环
外层循环处理下一轮,即\(a++\)


为什么满足这种条件就可以提前\(break\)呢?

设后续的质数为\(p_i'\),而\(p_i'>p_i\)
因为\(a\)\(p_i\)的倍数,那么\(a\times p_i'\)也是\(p_i\)的倍数
\(a\times p_i'=b\times p_i\)
\(∵p_i'>p_i\)
\(∴b>a\)
我们希望每个数被它的最小质因子给删掉
所以\(a\times p_i'\)应该被\(p_i\)删掉(就要求\(a\times p_i'/p_i\)尽量大)
所以后续所有的质数就都留给倍数\(a\)增长到\(b\)再去处理了
在这里插入图片描述


void sieve( int n ) {
	for( int i = 2;i <= n;i ++ ) {
		if( ! flag[i] ) prime[++ cnt] = i;
		for( int j = 1;j <= cnt && i * prime[j] <= n;j ++ ) {
			flag[i * prime[j]] = 1;
			if( i % prime[j] == 0 ) break;
		}
	}
}

最大公约数和最小公倍数

\[gcd(a,b)\times lcm(a,b)=a*b \]

证明:
\(a,b\)进行质因子分解,设\(a,b\)的质因子集合并集为\(p_1,p_2,p_3...p_k\)

\[设a=p_1^{i_1}p_2^{i_2}...p_k^{i_k},(0≤i_1,0\le i_2...0\le i_k) \]

\[设b=p_1^{j_1}p_2^{j_2}...p_k^{j_k},(0\le j_1,0\le j_2...0\le j_k) \]

\[gcd(a,b)=p_1^{min(i_1,j_1)}p_2^{min(i_2,j_2)}...p_k^{min(i_k,j_k)} \]

\[lcm(a,b)=p_1^{max(i_1,j_1)}p_2^{max(i_2,j_2)}...p_k^{max(i_k,j_k)} \]

\[∵min(i_t,j_t)+max(i_t,j_t)=i_t+j_t \]

\[∴gcd(a,b)+lcm(a,b)=p_1^{i_1+j_1}p_2^{i_2+j_2}...p_k^{i_k+j_k} \]


辗转相除法

\[gcd(a,b)\equiv gcd(b,a\%b) \]

证明:
\(d=gcd(a,b),a=x*d,b=y*d\)
根据模运算的放缩性有:\(a\%b=(x*d)\%(y*d)=(x\%y)*d\)
\(∵(x,y)=1\)
\(∴(y,x\%y)=1\)

int gcd( int x, int y ) {
	if( ! y ) return x;
	else return gcd( y, x % y );
}

更相减损术

若约分\(\frac{a}{b}\)
\(a,b\)均为偶,可先将\(a,b\)折半,即\(/2\)
否则,将\(a,b\)交替的减去对方
直到最后两数相等,此时的数乘上先前除掉的\(2\)即为原来\(a,b\)的最大公约数


裴蜀定理

如果\(a,b\)的最大公约数为\(d\),且\(d|c\),则存在整数\(x,y\),使得\(ax+by=c\)

证明:
转化证明存在\(x,y\)使得\(ax+by=d\)
假设存在这样一对\(x,y\),那么只需将其进行倍数放缩即可
\(∵(a,b)=d\)
\(∴\)\(a'=a/d,b'=b/d\)
则有\(a'x+b'y=1,(a',b')=1\)
证明转化为 求一对\(x,y\),使得\(a'x+b'y=1\),且满足\((a',b')=1\)
即求证\(a'x\%b'=1\)(感性理解:若干倍的\(a'\)减去若干倍的\(b'\)等于\(1\)


引理一

如果\(a,b\)为正整数,且\(a,b\)互质,则不存在小于\(b\)的正整数\(k\),使得\(0\equiv k*a(mod\ b)\)

证明:
用反证法即可,假设存在这样的一个\(k\)使得该式成立
则需满足\(k\)或者\(a\)能整除\(b\)
\(∵(a,b)=1\)
\(∴a\)不可能整除\(b\)
\(∵0<k<b\)
\(∴k\)亦不可能整除\(b\)


推论

如果\(a,b\)为正整数,且\(a,b\)互质,则\(0,a,a*2,a*3...(b-1)*a\)这些数取模\(b\),余数互不相等

证明:
反证法
设存在\(0<i<j<b\),使得\(a*i\equiv a*j(mod\ b)\)
则有\((i-j)*a\equiv 0(mod\ b)\)
同理引理一,\(i-j,a\)都不可能整除\(b\),故与假设矛盾,不成立


引理二

如果\((a,b)=1\),则必存在一个整数\(k\),满足\(k*a\% b=1\)

证明:
在这里插入图片描述
根据上面推论易知,这些数取模\(b\)的值只会在区间\([0,b-1]\)\(k=0\)时取模余数为\(0\)
而且各不相同,其中一定存在取模后的余数为\(1\)的值


根据引理二可知, 如果\((a,b)=1\),则必存在一个整数\(k\),满足\(k*a\% b=1\)
\(k*a-p*b=1\),裴蜀定理得证


威尔逊定理

\((p-1)!\equiv -1(mod\ p)\)当且仅当\(p\)为质数

证明:

先证充分性——>\(p\)为质数,有\((p-1)!\equiv p-1(mod\ p)\)
假设\(0<i<p\),根据上面的裴蜀定理,可得\((i,p)=1\),且必存在一个整数\(j(0<j<p)\)
使得\(i\times j\%p=1\),即\(j\)\(i\)的逆元,由此可见逆元具有唯一性,相互性
所以在\([1,p-1]\)中逆元是一对一对的
然而……
也有可能存在\(i\)的逆元是本身的,那么此时的\(i\)就要满足以下条件
\(i^2\%p=1 \ \ \ ——>(i+1)(i-1)\%p=0\)
\(∴i+1=0\)\(p\)\(i-1=0\)\(p\)
\(∵0<i<p\)
\(∴i+1=p,i-1=0\)
\(i=p-1,1\)
每一对逆元取模\(p\)都为\(1\),需要证明的原式变成\(1*p-1\equiv p-1(mod\ p)\)
显然成立,证毕
在这里插入图片描述


再证必要性——>\((p-1)!\equiv p-1(mod\ p)\),当该式成立时,\(p\)一定为质数
反证法,即证明\(p\)不为质数时,该式不成立
\(p\)不为质数,则\([2,p-1]\)中一定有\(p\)的因子,设为\(i\),则\(i,p/i\)均为\(p\)的因子
1.若\(i≠p/i\),则\(1\times 2\times 3\times ...\times (p-1)\)一定是\(p\)的倍数,取模\(p\)\(0\)
2.若\(i=p/i\),则\(1\times 2\times 3\times ...\times (p-1)\)一定是\(i\)的倍数,模\(p\)必为\(i\)的倍数
又因为\(p\)\(i\)的倍数,且\(i>1\),所以\(p-1\)不可能是\(i\)的倍数,所以\((p-1)!\equiv-1(mod\ p)\)


费马定理

如果\(p\)为质数,且\(a\%p≠0\),则有\(a^{p-1}\%p=1\)

证明:

\[(a*1)* (a* 2)* ...*(a* (p-1))=a^{p-1}*(p-1)!\ \ (mod\ p) \]

\[∵(a,p)=1 \]

\[∴\{(a* 1)\% p,(a*2)\% p,...,(a*(p-1))\%p\}=\{1,p-1\} \]

即取模后的值互不相等,且\(∈[1,p-1]\)

\[∴(a*1)\% p,(a*2)\% p,...,(a*(p-1))\%p=(p-1)!\ \ (mod\ p) \]

\[(p-1)!=a^{p-1}(p-1)!\ \ (mod\ p) \]

\[∴a^{p-1}=1\ \ (mod\ p) \]

同余等价类、剩余系、缩系

对于一个正整数\(p\),所有非负整数模\(p\)的结果,只有\(p\)种可能,即\(\{0,1,2,...,p-1\}\)
\(p\)剩余系指的是\(\{0,1,2,...,p-1\}\),即小于\(p\)的所有非负整数,这个集合中包含了所有模\(p\)的余数
\(p\)的剩余系记为\(Z_p\)
剩余系中,每一个元素代表的是一类数
比如在剩余系\(Z_p\)中,\(0\)表示的是所有模\(p\)\(0\)的数,即\(\{0,p,2p,3p...\}\)
\(1\)表示的是所有模\(p\)\(1\)的数,即\(\{1,p+1,2p+1,3p+1...\}\)
这些模\(p\)余数相同的数,称为同余等价类
可以发现,在模意义下,所有的非负整数可以被分为若干同余等价类
如果我们只考虑剩余系中与模数p互质的数,便得到一个子集,称为模p的缩系,记为\(Z_p^*\)
如p为6,则\(Z_p^*=\{1,5\}\)
缩系又称为简化剩余系

在这里插入图片描述

欧拉函数

欧拉函数即为缩系的大小

\(\phi(1)=1\)
1.如果\(n\)为质数,则$$\phi(n)=n-1$$
2.如果\(n=a^p\),且\(a\)为质数,则$$\phi(n)=ap-a=a^p(1-\frac{1}{a})$$
3.令\(n=a_1^{p_1}a_2^{p_2}...a_k^{p_k}\),根据积性函数性质

\[\phi(n)=\phi(a_1^{p_1})\phi(a_2^{p_2})...\phi(a_k^{p_k}) \]

\[=a_1^{p_1}(1-\frac{1}{a_1})*a_2^{p_2}(1-\frac{1}{a_2})...a_k^{p_k}(1-\frac{1}{a_k}) \]

\[=n*(1-\frac{1}{a_1})*(1-\frac{1}{a_2})*...*(1-\frac{1}{a_k}) \]

在这里插入图片描述

//求单个phi(n)
int getphi( int x ) {
	int ans = x;
	for( int i = 2;i * i <= x;i ++ ) {
		if( x % i == 0 ) {
			ans = ans / i * ( i - 1 );
			while( x % i == 0 ) x /= i;
		}
	}
	if( x > 1 ) ans = ans / x * ( x - 1 );
	return ans;
}
//求多个phi(n)
void getphi( int n ) {
	for( int i = 2;i <= n;i ++ ) {
		if( ! phi[i] ) {
			phi[i] = i - 1;
			for( int j = i << 1;j <= n;j += i ) {
				if( ! phi[j] ) phi[j] = j;
				phi[j] = phi[j] / i * ( i - 1 );
			}
		}
	}
}

欧拉定理

如果\((a,p)=1\),则\(a^{\phi(p)}\equiv1(mod\ p)\)

证明:
\(p\)的简化剩余系为\(\{p_1,p_2,p_3,...,p_k\}\)
\(∵(a,p)=1\)
\(∴\{a*p_1,a*p_2,...,a*p_k\}\)也构成了\(p\)的简化剩余系
(证明可参考裴蜀定理中的推论反证法
\(∴(a*p_1)*(a*p_2)*...*(a*p_k)\equiv p_1*p_2*...*p_k(mod\ p)\)
\(∴a^{\phi(p)}\equiv 1(mod\ p)\)


扩展欧拉定理

\(a,m\)为正整数,当\(r>\phi(m)\)时,有\(a^r\equiv a^{r\%\phi(m)+\phi(m)}\)

证明:
分类讨论
1.如果\((a,m)=1\),则显然成立
因为由欧拉定理得\(a^{\phi(m)}\equiv1(mod\ m)\)
2.若\((a,m)>1\)


引理一:

如果满足
\(\begin{cases}x\equiv y\ (mod\ m)\\x\equiv y\ (mod\ n)\end{cases}\)
则有
\(x\equiv y\ (mod\ \ lcm(n,m))\)

证明:
显然\((x-y)\)既是\(m\)的倍数,又是\(n\)的倍数,则其必然为\(lcm(n,m)\)的倍数


引理二:

如果\(p\)为质数,\(\phi(p^q)>=q\)

证明:
给两种证明方法
法一:
以每\(p\)个为一个周期划分
显然\((p,p-1)=1,(p^2,p^2-1)=1,...,(p^q,p^q-1)=1\)
此时光考虑一部分就已经满足\(\phi(p^q)=q\),故引理显然成立


法二:
\(\phi(p^q)=p^{q-1}*(p-1)\)
根据数学归纳法
考虑\(q=1,\phi(p)>=1\)显然成立
\(q=k\)时成立,即\(p^{k-1}*(p-1)>=k\)
\(∵k>1\)
\(∴\)显然\(p^k*(p-1)>=k+1\)
即当\(q=k+1\)时,也成立


接下来继续证明扩展欧拉定理
①若\(m=p^k\),即\(m\)为质数的幂时
\(∵(a,m)>1\)
\(∴p|a\)
由引理二可得\(\phi(p^k)\ge k\),即\(\phi(m)\ge k\)
\(∴r> \phi(m)\ge k\)
\(∴a^r=x*p^r=y*p^{\phi(m)}=z*p^k\)
\(m|a^r,m|p^{\phi(m)}\)
\(∴a^r\equiv a^{r\%\phi(m)+\phi(m)}\equiv 0(mod\ \ m)\)

②若\(m=p_1^{k_1}p_2^{k_2}...p_{n}^{k_n}\)
\(m_1=p_1^{k_1}\),则\(a^r\equiv a^{r\%\phi(m_1)+\phi(m_1)}\ \ (mod\ \ m_1)\)
\(m_2=p_2^{k_2}\),则\(a^r\equiv a^{r\%\phi(m_2)+\phi(m_2)}\ \ (mod\ \ m_2)\)
\(......\)
\(m_n=p_n^{k_n}\),则\(a^r\equiv a^{r\%\phi(m_n)+\phi(m_n)}\ \ (mod\ \ m_n)\)

咕咕咕咕。。。。(目前蒟蒻还证不出来,先把老师写的放着,待填)
在这里插入图片描述

因为\(\phi(m)=\phi(m_1)*\phi(m_2)*...*\phi(m_n)\),又根据引理一,则得到:
\(a^r\equiv a^{r\%\phi(m)+\phi(m)}(\mod m)\)

区间逆元

如果整数\(a,b\)满足\(a*b\%p=1\),则称\(a,b\)在模\(p\)的意义下互为逆元
只有\((a,p)=1\),在模\(p\)的意义下\(a\)才有逆元,\(a\)的逆元记作\(a^{-1}\)

证明:
\((a,p)>1\),则令\(d=gcd(a,p),d|a,d|p\)
\(∴d|a\%p\)(感性理解为:x倍\(d\)减去y倍\(p\)直到\(x<y\),其差一定也为\(d\)的倍数)
\(∴a\equiv (x\%y)d\ (mod\ \ p)\)
\(∵d>1\)
\(∴(x\%y)d≠1\)

逆元的性质:若\((b,p)=1\),则\(a/b\%p=a*b^{-1}\%p\)

有一种求区间逆元的方式,时间复杂度为\(O(n)\)
设模数为\(m,f[n]\)表示\(n\)的逆元,其中\([1,n)\)的逆元已经求出,则
\(f[n]=(-f[m\%n]*(m/n)\%m+m)\%m\)

证明:


公式一:

\(f[i]=-f[m-i]\)

证明:
\(f[i]*i\equiv1\ \ \ (mod\ m)\)
\(f[i]*(m-i)\equiv-1\ \ \ (mod\ m)\)
\(f[m-i]*(m-i)\equiv1\ \ \ (mod\ m)\)
\(f[i]=-f[m-i]\)


公式二:

\(f[i]=k*f[k*i]\)

证明:
\(f[i*k]*(i*k)\equiv 1\ \ \ (mod\ m)\)
\((f[i*k]*k)*i\equiv 1\ \ \ (mod\ m)\)
\(f[i]*i\equiv 1\ \ \ (mod\ m)\)
\(f[i*k]*k=f[i]\)


在这里插入图片描述
\(f[n]=k*f[k*n]=m/n\times f[m-m\%n]\)
\(f[m-m\%n]=-f[m\%n]\)
\(f[n]=m/n\times (-f[m\% n])\)


扩展欧几里得

扩展欧几里得是用来求不定方程:\(ax+by=c\),且已知整数\(a,b,c\)
要求\(gcd(a,b)|c\),才能保证有解

算法思想:递归求解
先求方程\(ax+by=gcd(a,b)\),求出该方程的解,乘上系数\(c/gcd(a,b)\)即为原方程的解

\[ax+by=gcd(a,b)=gcd(b,a\%b)=bx'+(a\%b)y'=bx'+(a-a/b*b)y' \]

\(a,b\)看做变量,移项合并同类项

\[ax+by=bx'+(a-a/b*b)y' \]

\[ax+by-bx'-ay'+a/b*by'=0 \]

\[xa-y'a+yb-x'b+a/b*y'b=0 \]

\[(x-y')a+(y-x'+a/b*y')b=0 \]

\[∵a*b≠0 \]

\[∴x-y'=0,y-x'+a/b*y'=0 \]

\[∴\begin{cases}x=y'\\y=x'-y'*(a/b)\end{cases} \]

只需要求出\(x',y'\)就可以求出\(x,y\)
而求\(x',y'\)可以继续递归下去
\(gcd(a,b)\)中的参数\(b\)最终会变为\(0\),此时\(gcd(a,0)=a\)
于是有\(ax+by=gcd(a,0)=a\),可以求出\(x=1,y=0\)
这是最底层的\(x,y\),然后一层层返回,就可以求出最原始的\(x,y\)


注意,\(exgcd\)求出来的\(x,y\)满足的方程组是\(ax+bx=gcd(a,b)\)
将这一对\(x,y\)乘上\(\frac{c}{gcd(a,b)}\),才是原方程的一组解

而且,这一组解只是一组特解,并不一定是最小的,可以通过通解公式去找到最小解\(x\)
在这里插入图片描述

\[ax+by=c \]

\[a(x-k)+b(y+\frac{ak}{b})=c \]

因为\(a\)缩小若干倍,为了保证方程的正确性,\(b\)就应该放大若干倍,所以需满足\(b|ak\)

\[∴\frac{b}{gcd(a,b)}|\frac{a}{gcd(a,b)}k \]

\[∵(\frac{b}{gcd(a,b)},\frac{a}{gcd(a,b)})=1 \]

\[∴\frac{b}{gcd(a,b)}|k \]

所以原方程的\(a\)可以无限缩小\(\frac{b}{gcd(a,b)}\)倍,直到\(a<\frac{b}{gcd(a,b)}\)

void exgcd( int a, int b, int &d, int &x, int &y ) {
	if( ! b ) d = a, x = 1, y = 0;
	else {
		exgcd( b, a % b, d, y, x );
		y -= x * ( a / b );
	}
}
//求x的最小解
x = ( x * ( c / d ) % ( b / d ) + ( b / d ) ) % ( b / d )

中国剩余定理

求一个模线性方程组\(x\)
\(\begin{cases}x\equiv a_1\ \ (mod\ \ r_1)\\x\equiv a_2\ \ (mod\ \ r_2)\\...\\x\equiv a_k\ \ (mod\ \ r_k)\end{cases}\)
其中\(r_1,r_2,...,r_k\)互质

对于\(r_i\),设\(A_i=\prod_{j≠i}r_j\)
\(∵(r_1,r_2,...,r_k)=1\)
\(∴(A_i,r_i)=1\)
则一定存在一个整数\(c_i\)满足\(c_i*A_i\% r_i=1\)

\(x_i=a_i*c_i*A_i\),则\(x_i\%r_i=a_i\)
因为\(A_i\)是除了\(r_i\)以外的其他\(r\)值的最小公倍数
所以,\(x_i\%r_j=0(j≠i)\),即\(x_i\)模其他的\(r\)余数都为\(0\),只有模\(r_i\)的时候,余数为\(a_i\)

换言之,把\(x_i\)加到满足其他方程\(j(j≠i)\)的解\(x_j\)上,\((x_i+x_j)\)也一样满足方程\(j\)
同理,如果\(x_j\)也是这么求出来的,则\((x_i+x_j)\)也满足方程\(i\)

那么,我们对于每一个方程,都按照这个方法求出来该方程的解
把这些解累加起来,发现,这个和仍然满足每一个方程
\(x=\sum_{i=1}^ka_i*c_i*A_i\%r_i\)

对于\(x\),加上所有的\(r\)值的最小公倍数,它仍然满足所有方程
所以,只要存在\(x\),则意味着有无穷多组解

通解为:$$x=\sum_{i=1}k(r_i*c_i*A_i%a_i)+p*\prod_{i=1}kr_i,p∈Z$$


扩展中国剩余定理

求一个模线性方程组\(x\)
\(\begin{cases}x\equiv a_1\ \ (mod\ \ r_1)\\x\equiv a_2\ \ (mod\ \ r_2)\\...\\x\equiv a_k\ \ (mod\ \ r_k)\end{cases}\)
其中\(r_1,r_2,...,r_k\)不一定互质

首先,取前两个方程$$x=kr_1+a_1=pr_2+a_2$$$$kr_1-pr_2=a_2-a_1$$
这种形如\(ax+by=c\)的不定方程,可以用扩展欧几里得计算
\(gcd(r_1,r_2)\)不能整除\(a_2-a_1\)时,方程组无解
否则,根据\(exgcd\),求出\(k_0\),满足\(k_0*r_1-p*r_2=a_2-a_1\)
\(k\)的通解为:

\[k=k_0+b*(r_2/gcd(r_1,r_2)) \]

在这里插入图片描述

带入到方程组\(x=k*r_1+a_1\)中,则有$$x=(k_0+b(r_2/gcd(r_1,r_2)))r_1+a_1=k_0r_1+blcm(r_1,r_2)+a_1,b∈Z$$
即$$x\equiv a_1\ \ (mod\ \ lcm(r_1,r_2))$$
这个方程相当于合并了原来的两个方程,而形式上又和原来的方程一致
继续采用这个方法,不断地合并方程组中的两个方程
直到最后合并为一个方程,则可以得到\(x\)的通解

注意在这个过程中,要注意求出的\(k_0\)\(k*r_1-p*r_2=(a_2-a_1)\)的解
而不是\(k*r_1-p*r_2=gcd(r_1,r_2)\)的解,前者是后者的倍数

//扩展中国剩余定理,求最小整数解x的模板代码
#include <cstdio>
#define MAXK 10000005
#define int long long
int mod[MAXK], r[MAXK];

void exgcd( int a, int b, int &d, int &x, int &y ) {
	if( ! b ) d = a, x = 1, y = 0;
	else {
		exgcd( b, a % b, d, y, x );
		y -= x * ( a / b );
	}
}

int Fabs( int x ) {
	return ( x < 0 ) ? -x : x;
}

signed main() {
	int m;
	while( ~ scanf( "%lld", &m ) ) {
		for( int i = 1;i <= m;i ++ )
			scanf( "%lld %lld", &mod[i], &r[i] );
		int noans = 0, d, x, y;
		for( int i = 1;i < m;i ++ ) {
			exgcd( mod[i], mod[i + 1], d, x, y );
			if( Fabs( r[i + 1] - r[i] ) % d ) {
				noans = 1;
				break;
			}
			x = ( x * ( ( r[i + 1] - r[i] ) / d ) % ( mod[i + 1] / d ) + ( mod[i + 1] / d ) ) % ( mod[i + 1] / d );
			int lcm = mod[i] / d * mod[i + 1];
			mod[i + 1] = lcm, r[i + 1] = ( x * mod[i] + r[i] ) % lcm;
		}
		if( noans ) printf( "-1\n" );
		else printf( "%lld\n", r[m] );
//r[m]可能等于0,所以根据题目要求,若要最小正整数,则为mod[m]
	}
	return 0;
}

终于写完了!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
在这里插入图片描述

posted @ 2020-09-23 20:57  读来过倒字名把才鱼咸  阅读(538)  评论(0编辑  收藏  举报