最大公约数—辗转相除法(欧几里德算法证明)

欧几里德算法证明:(下述内容仅做了解)
上面代码使用的是欧几里德算法,又称辗转相除法。

假设有非零正整数 A、B,其中 A > B,将 A 减 B 记为 C,即 A - B = C。

最大公约数记为 GCD(greatest common divisor),例如 A、B 的最大公约数记为 GCD(A, B)。

求证:GCD(A, B) = GCD(B, R)

(其中 R 为 A 除以 B 的余数,或记为 R = A - n * B,n 为 A 除以 B 的商。即 R = A % B)

第一步:证明 GCD(A, B) 能够整除 C
1.因为 GCD(A, B) 是 A 的公约数,存在整数 X,使得 X * GCD(A, B) = A;

2.因为 GCD(A, B) 是 B 的公约数,存在整数 Y,使得 Y * GCD(A, B) = B;

3.因为 A - B = C,即

X * GCD(A, B) - Y * GCD(A, B) = C

(X - Y) * GCD(A, B) = C

使用图片表示即:

所以有结论:

GCD(A, B) 不仅是 A 和 B 的最大公约数,同时也是 C 的约数。

第二步:证明 GCD(B, C) 能够整除 A
1.因为 GCD(B, C) 是 B 的公约数,存在整数 M,使得 M * GCD(B, C) = B;

2.因为 GCD(B, C) 是 C 的公约数,存在整数 N,使得 N * GCD(B, C) = C;

3.因为 B + C = A,即

M * GCD(B, C) + N * GCD(B, C) = A

(M + N) * GCD(B, C) = A

使用图片表示即:

所以有结论:

GCD(B, C) 不仅是 B 和 C 的最大公约数,同时也是 A 的约数。

第三步:证明 GCD(A, B) = GCD(B, C)
1.因为 GCD(A, B) 是 A 和 B 的最大公约数,同时也是 C 的约数,所以 GCD(A, B) 一定也是 B 和 C 的约数。由于 GCD(B, C) 是 B 和 C 的最大公约数,所以存在

GCD(A, B) <= GCD(B, C)

2.因为 GCD(B, C) 是 B 和 C 的最大公约数,同时也是 A 的约数,所以 GCD(B, C) 一定也是 A 和 B 的约数。由于 GCD(A, B) 是 A 和 B 的最大公约数,所以存在

GCD(B, C) <= GCD(A, B)

3.由上可得 GCD(A, B) = GCD(B, C)

使用图片表示即:

第四步:证明 GCD(A, B) = GCD(B, R)
1.因为 GCD(A, B) = GCD(B, C),即 GCD(A, B) = GCD(B, A - B)

2.上式也可记为 GCD(A, B) = GCD(A - B, B)

3.重复上一步,即有

GCD(A, B) = GCD(A - B, B) = GCD(A - 2B, B) = ... = GCD(A - n * B, B)

4.所以 GCD(A, B) = GCD(B, R)
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