news 2026/4/23 16:48:47

浅记线性同余方程(组)

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
浅记线性同余方程(组)

线性同余方程就是形如

(

m

o

d

)

ax≡b(modm) 其中

,

,

a,b,m 是给定的整数。

解法#

由同余的性质可知

m∣ax−b 即

=

ax−b=km 其中

k∈Z。

如果我们设

=

k=−y 的话,就有

+

=

ax+my=b,发现了吗?其实这就是 Bézout 定理。

由Bézout 定理我们可以得到,这个同余方程有解当且仅当

gcd

(

,

)

gcd(a,m)∣b。

我们考虑在有解的情况下使用扩展欧几里得算法先求解出

+

=

gcd

(

,

)

ax+my=gcd(a,m) 的一组特解

{

=

0

=

0

{

x=x

0

y=y

0

,然后呢,我们就可以得到

=

0

×

gcd

(

,

)

x=

gcd(a,m)

x

0

×b

就是原方程的一组解。

关于扩展欧几里得算法的说明#

内容

我们考虑不定方程

+

=

gcd

(

,

)

ax+by=gcd(a,b) 的一组特解,我们可以采用递归的方法来求解,实际上这也就是扩展欧几里得算法:

显然当

=

0

b=0 时,有

{

=

1

=

0

{

x=1

y=0

满足条件。

0

b

=0 时,我们根据欧几里得算法有

gcd

(

,

)

=

gcd

(

,

m

o

d

)

gcd(a,b)=gcd(b,amodb) 于是,我们就有

(

m

o

d

)

+

=

gcd

(

,

m

o

d

)

(amodb)y+bx=gcd(b,amodb) 又由于

(

m

o

d

)

+

=

(

×

)

×

+

(amodb)y+bx=(a−b×⌊

b

a

⌋)×y+bx 将

RHS

RHS 展开,合并同类项后有

(

m

o

d

)

+

=

+

×

(

)

(amodb)y+bx=ay+b×(x−⌊

b

a

⌋y) 于是,我们令

0

=

,

0

=

x

0

=y,y

0

=x−⌊

b

a

⌋y 就有

0

+

0

=

gcd

(

,

)

ax

0

+by

0

=gcd(a,b)。

代码实现

根据上述内容,我们可以打出扩展欧几里得算法的代码:

int exgcd(int a,int b,int&x,int&y){

if(b==0){

x=1;

y=0;

return a;

}

int d=exgcd(b,a%b,x,y);

int z=x;

x=y;

y=z-z*y;

return d;

}

功能介绍

以上函数的返回值为

gcd

(

,

)

gcd(a,b),注意到参数

,

x,y 均在前面加上了取地址符,表示在函数中可以改变 x 与 y 的值,而函数运行完成后 x 与 y 所保存的值就是

+

=

gcd

(

,

)

ax+by=gcd(a,b) 的一组特解。

一道模板题#

洛谷 P1082:

这道题目就是模板题,方程可以写成

+

=

1

ax+by=1 的形式,于是我们使用扩展欧几里得算法,可以求出特解

0

x

0

然后

0

m

o

d

x

0

modb 就是原方程的最小正整数解了。

#include<bits/stdc++.h>

#define int long long

using namespace std;

int a,b;

int exgcd(int a,int b,int&x,int&y){

if(b==0){

x=1;

y=0;

return a;

}

int d=exgcd(b,a%b,x,y);

int z=x;

x=y;

y=z-(a/b)*y;

return d;

}

signed main(){

cin>>a>>b;

int x,y;

exgcd(a,b,x,y);

cout<<(x%b+b)%b;

return 0;

}

线性同余方程组

作者太懒了,这里先讲解更加宽泛的扩展中国剩余定理吧,等以后再讲解特殊的中国剩余定理,顺便宣传一下博客:link。

问题简述#

给定一个

k 个方程的线性同余方程组:

{

1

(

m

o

d

1

)

2

(

m

o

d

2

)

(

m

o

d

)

x≡a

1

(modm

1

)

x≡a

2

(modm

2

)

x≡a

k

(modm

k

)

其中

1

,

2

,

,

m

1

,m

2

,…,m

k

不一定两两互质。

解题方法#

我们的大致解题思路为将

2

2 个方程合并为一个新的方程,以此类推,最终我们会得到一个

(

m

o

d

)

x≡y(modz) 的一个方程,易见上面的方程组的最小正整数解就是

y。

接下来我们来解决合并方程的问题,我们考虑如下两个方程:

{

1

(

m

o

d

1

)

2

(

m

o

d

2

)

{

x≡a

1

(modm

1

)

x≡a

2

(modm

2

)

我们根据第一个式子可以写出

x 的通解

=

1

+

1

×

x=a

1

+m

1

×k 其中

k 为任意整数,我们将这个通解带入第二个式子就可以得到

1

+

1

×

2

(

m

o

d

2

)

a

1

+m

1

×k≡a

2

(modm

2

) 我们移一下项就可以得到

1

×

2

1

(

m

o

d

2

)

m

1

×k≡a

2

−a

1

(modm

2

),这就是上面的方程组合并后的结果。

而这个方程有解的充要条件是

gcd

(

1

,

2

)

2

1

gcd(m

1

,m

2

)∣a

2

−a

1

,这个其实就是裴蜀定理,这里不再概述。

我们继续讲,我们得到这个充要条件后我们可以判断这个方程是否有解,如果有解我们就继续进行接下来的操作。

我们设

=

gcd

(

1

,

2

)

d=gcd(m

1

,m

2

),然后将我们合并的方程变换一下就是:

1

×

2

1

(

m

o

d

2

)

d

m

1

×k

d

a

2

−a

1

(mod

d

m

2

)

然后,我们设

1

=

1

,

=

2

1

,

2

=

2

m

1

=

d

m

1

,c=

d

a

2

−a

1

,m

2

=

d

m

2

于是我们就有:

1

×

(

m

o

d

2

)

m

1

×k≡c(modm

2

)

注意到此时

1

,

2

m

1

,m

2

互质,所以

1

m

1

在模

2

m

2

的意义下存在乘法逆元,我们可以使用扩展欧几里得算法来求出逆元,即求出整数

inv 使得

1

×

1

(

m

o

d

2

)

m

1

×inv≡1(modm

2

),所以我们继续将这个方程变换就变成了:

×

(

m

o

d

2

)

k≡c×inv(modm

2

)

如果我们记

0

=

×

k

0

=c×inv 则

k 的通解为

0

+

2

×

k

0

+m

2

×t 其中

t 为任意整数。

然后我们将这个

k 带回一开始的式子就可以得出:

=

1

+

1

×

(

0

+

2

×

)

=

(

1

+

1

×

0

)

+

(

1

×

2

)

×

=

(

1

+

1

×

0

)

+

1

×

2

×

=

(

1

+

1

×

0

)

+

l

c

m

(

1

,

2

)

×

x

=a

1

+m

1

×(k

0

+m

2

×t)

=(a

1

+m

1

×k

0

)+(m

1

×m

2

)×t

=(a

1

+m

1

×k

0

)+

d

m

1

×m

2

×t

=(a

1

+m

1

×k

0

)+lcm(m

1

,m

2

)×t

我们设

0

=

1

+

1

×

0

,

=

l

c

m

(

1

,

2

)

x

0

=a

1

+m

1

×k

0

,L=lcm(m

1

,m

2

) 所以我们就愉快地得出了:

{

1

(

m

o

d

1

)

2

(

m

o

d

2

)

0

(

m

o

d

)

{

x≡a

1

(modm

1

)

x≡a

2

(modm

2

)

⟺x≡x

0

(modL)

于是,我们完成了合并方程的使命!

最后其实就是一个递推的过程我们一次合并前

2

2 个方程,最后就能得到答案!

代码实现#

#include<bits/stdc++.h>

#define LL __int128

#define R register

using namespace std;

namespace fastIO{char *p1,*p2,buf[100000];

#define nc() (p1==p2&&(p2=(p1=buf)+fread(buf,1,100000,stdin),p1==p2)?EOF:*p1++)

inline void read(LL&n){LL x=0,f=1;char ch=nc();while(ch<48||ch>57){if(ch=='-'){f=-1;}ch=nc();}while(ch>=48&&ch<=57){x=(x<<3)+(x<<1)+(ch^48),ch=nc();}n=x*f;}inline void read(string&s){s="";char ch=nc();while(ch==' '||ch=='\n'){ch=nc();}while(ch!=' '&&ch!='\n'){s+=ch,ch=nc();}}inline void read(char&ch){ch=nc();while(ch==' '||ch=='\n'){ch=nc();}}inline void write(LL x){if(x<0){putchar('-'),x=-x;}if(x>9){write(x/10);}putchar(x%10+'0');return;}inline void write(const string&s){for(R LL i=0;i<(int)s.size();i++){putchar(s[i]);}}inline void write(const char&c){putchar(c);}

}using namespace fastIO;

inline LL mul(LL a,LL b,const LL&mod){

a=(a%mod+mod)%mod;

b=(b%mod+mod)%mod;

LL res=0;

while(b){

if(b&1)res=(res+a)%mod;

a=(a+a)%mod;

b>>=1;

}

return res;

}

void exgcd(LL a,LL b,LL&x,LL&y){

if(b==0){

x=1;

y=0;

}

else{

exgcd(b,a%b,y,x);

y-=x*(a/b);

}

}

LL inv_mod(LL a,LL m){

LL x,y;

exgcd(a,m,x,y);

return (x%m+m)%m;

}

LL gcd(LL a,LL b){

return b?gcd(b,a%b):a;

}

LL n,a[100005],b[100005];

signed main(){

read(n);

for(int i=0;i<n;i++){

read(a[i]);

read(b[i]);

}

LL a0=a[0];

LL b0=(b[0]%a0+a0)%a0;

for(int i=1;i<n;i++){

LL ai=a[i];

LL bi=(b[i]%ai+ai)%ai;

LL d=gcd(a0,ai);

LL dif=bi-b0;

LL a0_=a0/d;

LL ai_=ai/d;

LL dif_=dif/d;

LL c=(dif_%ai_+ai_)%ai_;

LL inv=inv_mod(a0_,ai_);

LL t0=mul(inv,c,ai_);

LL a0__=(a0/d)*ai;

LL mod__=a0__;

LL p=mul(a0,t0,mod__);

LL b0__=(b0+p)%mod__;

a0=mod__;

b0=b0__;

}

write(b0);

return 0;

}

一些例题

如果有不会的可以回复作者!

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