求解模線性方程


1)求解線性不定方程

  ax + by = c

  先求出一組解, 然后考慮如何表示通解, 設d = gcd(a, b), 假設c不是d的倍數, 則左邊是d的倍數而右邊不是, 則方程無解, 所以方程有解當且僅當d | c.

  設c = c' * d, 我們先考慮方程  ax + by = d, 這樣由擴展gcd便可求出一組解 (x', y'), 則(c'x', c'y')就是原方程的一組解,然后考慮通解:

  假設有兩組解(x1, y2) ,  (x2, y2), 有  ax1 + by1 == ax2 + by2 = c,   移項得:  a(x1 - x2) == b(y2 - y1),  消去d后有  a'(x1 - x2) == b'(y2 - y1),

  此時a' 和 b' 互素, 所以(x1 - x2)一定是b'的倍數, 而(y2 - y1)一定是a'的倍數, 由此可得到通解:

  給一組特解(x, y), 通解為(x - kb', y + ka').

2)求解模線性方程

  ax = b(mod n)

  其實方程等價於 ax - ny = b, 標准模線性方程,但是得考慮剩余系。

  算法導論上有兩個定理:

  定理一:設d = gcd(a, n), 假定對整數x', y', 有d = ax' + ny', 如果d | b, 則方程ax = b(mod)有一個解的值為x0, 滿足:、

      x0 = x'(b / d)(mod n)

  定理二:假設方程ax = b(mod n)有解, x0是方程的任意一個解, 則方程對模n恰有d個不同的解, 分別為: xi = x0 + i * (n / d), 其中 i = 1,2,3......d - 1

  有了這兩個定理, 解方程就不難了。

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 1 void linear_mod_equation (int a, int b, int n, int *sol)
 2 {
 3     int d, x, y;
 4     gcd (a, n, d, x, y );
 5     if (b % d) d = 0;
 6     else
 7     {
 8         sol [0] = x * ( b / d ) % n ;
 9         for (int i = 1; i < d; ++i)
10             sol[i] = (sol[i - 1] + n / d) % n ;
11     }
12 }

  如果gcd(a,  n) == 1, 則方程有唯一解, 即解為a的逆。

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1 ll inv(ll a, ll n)
2  {
3      ll d, x, y;
4      gcd(a, n, d, x, y);
5      return d == 1 ? (x % n + n) % n : -1;
6  }

 


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