辗转相除法是用来计算两个整数的最大公约数。假设两个整数为a
和b
,他们的公约数可以表示为gcd(a,b)
。如果gcd(a,b) = c
,则必然a = mc
和b = nc
。a除以b得商和余数,余数r可以表示为r = a - bk
,k
这里是系数。因为c
为 a
和b
的最大公约数,所以c
也一定是r
的最大公约数,因为r = mc - nck = (m-nk)c
。
因此gcd(a,b) = gcd(b,r)
,相当于把较大的一个整数用一个较小的余数替换了,这样不断地迭代,直到余数为0,则找到最大公约数。
举例两个整数为1071
和462
:
第一步:1071 / 462 = 2 * 462 + 147
第二步:462 / 147 = 3 * 147 + 21
第三步:147 / 21 = 7 * 21 + 0
此时余数为零,则21
为两个数的最大公约数。
贝祖公式表明对于任意两个整数a
和b
,都可以找到一对可为负的整数x
和y
,可以使等式xa + yb = m
,其中m为a
和b
的最大公约数,合理性稍加思考可得。如果m
为1
说明a
和b
互素。所以在互素的情况下,xa + yb = 1
。这个等式对于求乘法逆元有很大的帮助。
那么如何通过贝祖公式及扩展欧几里得算法来求乘法逆元呢?举一个例子来描述什么是乘法逆元。如果ab mod m = 1
,或者可以表示为ab ≡ 1 mod m
,这里b
就是a
关于模数m
的乘法逆元。计算乘法逆元的方法就是扩展欧几里得算法,以下通过一个例子来帮助理解:
假设我们要求3
关于模26
的乘法逆元(隐含了3
和26
的最大公约数为1,即互素)。当a = 3
,b = 26
,则根据贝祖公式,存在整数x
和y
,3x + 26y = 1
。
思路就是等号两边同时mod 26
,等式则变成(3x + 26y) mod 26 = 1 mod 26
,根据模运算的性质(a + b) mod m = (a mod m + b mod m) mod m
。
所以展开等式(3x mod 26 + 26y mod 26) mod 26 = 1 mod 26
。化简最终得到(3x mod 26) mod 26 = 1 mod 26
。我们发现3x mod 26 = 1
正好符合了乘法逆元的定义,所以欧几里得算法就是解x
的关键。
下面将通过辗转相除法来求x
:
第一步:26 = 3 * 8 + 2
第二步:3 = 2 * 1 + 1
统一将余数换到等号左边:
2 = 26 - 3 * 8
1 = 3 - 2 * 1
将第一行的2
替换到第二行,保证等式左边永远为1
,等式右边变成仅由3x + 26y
组成。
1 = 3 - (26 - 3 * 8) * 1 = 3 * 9 + (-1) * 26
可得x = 9
最后9
就是3
关于模26
的乘法逆元。它可以应用于仿射加密。
附:仿射加密的公式e(x) = ax + b mod m, 其中a
与m
互素, b为移动距离。
仿射解密公式d(x) = a-1(x - b) mod m