輾除法

輾除法(zhǎnchú fǎ )——輾轉相除法, 又名歐幾里德算法(Euclidean algorithm)乃求兩個正整數之最大公因子的算法。它是已知最古老的算法, 其可追溯至3000年前。它首次出現於歐幾里德的《幾何原本》(第VII卷,命題i和ii)中,而在中國則可以追溯至東漢出現的《九章算術》。它並不需要把二數作質因子分解。

證明

設兩數為a、b(b

[編輯] 算法

輾轉相除法是利用以下性質來確定兩個正整數 a 和 b 的最大公因子的:

1. 若 r 是 a ÷ b 的餘數, 則

gcd(a,b) = gcd(b,r)

2. a 和其倍數之最大公因子為 a。

另一種寫法是

1. a ÷ b,令r為所得餘數(0≤r

若 r = 0,算法結束;b 即為答案。

2. 互換:置 a←b,b←r,並返回第一步。

[編輯] 虛擬碼

這個算法可以用遞歸寫成如下:

function gcd(a, b) {

if b<>0

return gcd(b, a mod b);

else

return a;

}

或純使用循環

function gcd(a, b) {

define r as integer;

while b ≠ 0 {

r := a mod b;

a := b;

b := r;

}

return a;

}

pascal代碼(遞歸)

求兩數的最大公約數

function gcd(a,b:integer):integer;

begin

if b=0 then gcd:=a

else gcd:=gcd (b,a mod b);

end ;

其中“a mod b”是指取 a ÷ b 的餘數。

例如,123456 和 7890 的最大公因子是 6, 這可由下列步驟看出:

a b a mod b

123456 7890 5106

7890 5106 2784

5106 2784 2322

2784 2322 462

2322 462 12

462 12 6

12 6 0

只要可計算餘數都可用輾轉相除法來求最大公因子。這包括多項式、復整數及所有歐幾里德定義域(Euclidean domain)。

輾轉相除法的運算速度為 O(n2),其中 n 為輸入數值的位數。

輾轉相除法原理及其詳細證明如下:

“輾轉相除法”又叫做“歐幾里得算法”,是公元前 300 年左右的希臘數學家歐幾里得在他的著作《幾何原本》提出的。利用這個方法,可以較快地求出兩個自然數的最大公因數,即gcd 或叫做HCF 。

最大公約數(greatest common divisor,簡寫為gcd;或highest common factor,簡寫為hcf)

所謂最大公因數,是指幾個數的共有的因數之中最大的一個,例如 8 和 12 的最大公因數是 4,記作gcd(8,12)=4。

整除性定義

在介紹這個方法之前,先說明整除性的一些特點(下文的所有數都是正整數,不再重複),我們可以這樣給出整除性的定義:

對於二個自然數a和b,若存在正整數q,使a=bq,則a能被b整除,b為a的因子,a為b的倍數。

如果a能被c整除,並且b也能被c整除,則c為a、b的公因數(公有因數)。

由此我們可以得出以下推論:

推論1、如果a能被b整除(a=qb),若k為正整數,則ka也能被b整除(ka=kqb)

推論2、如果a能被c整除(a=hc),b也能被c整除(b=tc),則(a±b)也能被c整除

因為:將二式相加:a+b=hc+tc=(h+t)c 同理二式相減:a-b=hc-tc=(h-t)c

所以:(a±b)也能被c整除

推論3、如果a能被b整除(a=qb),b也能被a整除(b=ta),則a=b

因為:a=qbb=taa=qta qt=1 因為q、t均為正整數,所以t=q=1

所以:a=b

輾轉相除法是用來計算兩個數的最大公因數,在數值很大時尤其有用,而且套用在電腦程式上也十分簡單。其理論如下:

如果 q 和 r 是 m 除以 n 的商及餘數,即 m=nq+r,則 gcd(m,n)=gcd(n,r)。

證明是這樣的: 設 a=gcd(m,n),b=gcd(n,r)

a=gcd(m,n)

m能被a整除,並且n也能被a整除,則由推論1得:qn也能被a整除

由推論2得:m-qn也能被a整除

而m-qn=r,即r也能被a整除,所以a=b

b=gcd(n,r)

n能被b整除,並且r也能被b整除,則由推論1得:qn也能被b整除

由推論2得:qn+r也能被b整除

而m=qn+r,即m也能被b整除,所以a=b

例如計算 gcd(546, 429)

gcd(546, 429) 546=1*429+117

=gcd(429, 117) 429=3*117+78

=gcd(117, 78) 117=1*78+39

=gcd(78, 39) 78=2*39

=39

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