「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

点击上方\”java全栈技术\”关注,每天学习一个java知识点

大四毕业前夕,计算机学院的小灰又一次顶着炎炎烈日,

去某IT公司面试研发工程师岗位……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

半小时后,公司会议室,面试开始……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

小灰奋笔疾书,五分钟后……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

小灰的思路十分简单。他使用暴力枚举的方法,试图寻找到一个合适的整数 i,看看这个整数能否被两个整型参数numberA和numberB同时整除。

这个整数 i 从2开始循环累加,一直累加到numberA和numberB中较小参数的一半为止。循环结束后,上一次寻找到的能够被两数整除的最大 i 值,就是两数的最大公约数。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

事后,垂头丧气的小灰去请教同系的学霸大黄……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

辗转相除法, 又名欧几里得算法(Euclidean algorithm),目的是求出两个正整数的最大公约数。它是已知最古老的算法, 其可追溯至公元前300年前。

这条算法基于一个定理:两个正整数a和b(a>b),它们的最大公约数等于a除以b的余数c和b之间的最大公约数。比如10和25,25除以10商2余5,那么10和25的最大公约数,等同于10和5的最大公约数。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

有了这条定理,求出最大公约数就简单了。我们可以使用递归的方法来把问题逐步简化。

首先,我们先计算出a除以b的余数c,把问题转化成求出b和c的最大公约数;然后计算出b除以c的余数d,把问题转化成求出c和d的最大公约数;再然后计算出c除以d的余数e,把问题转化成求出d和e的最大公约数……

以此类推,逐渐把两个较大整数之间的运算简化成两个较小整数之间的运算,直到两个数可以整除,或者其中一个数减小到1为止。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

五分钟后,小灰改好了代码……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

更相减损术, 出自于中国古代的《九章算术》,也是一种求最大公约数的算法。

他的原理更加简单:两个正整数a和b(a>b),它们的最大公约数等于a-b的差值c和较小数b的最大公约数。比如10和25,25减去10的差是15,那么10和25的最大公约数,等同于10和15的最大公约数。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

由此,我们同样可以通过递归来简化问题。首先,我们先计算出a和b的差值c(假设a>b),把问题转化成求出b和c的最大公约数;然后计算出c和b的差值d(假设c>b),把问题转化成求出b和d的最大公约数;再然后计算出b和d的差值e(假设b>d),把问题转化成求出d和e的最大公约数……

以此类推,逐渐把两个较大整数之间的运算简化成两个较小整数之间的运算,直到两个数可以相等为止,最大公约数就是最终相等的两个数。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

五分钟后,小灰重写了代码……

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

众所周知,移位运算的性能非常快。对于给定的正整数a和b,不难得到如下的结论。其中gcb(a,b)的意思是a,b的最大公约数函数:

当a和b均为偶数,gcb(a,b) = 2*gcb(a/2, b/2) = 2*gcb(a>>1, b>>1)

当a为偶数,b为奇数,gcb(a,b) = gcb(a/2, b) = gcb(a>>1, b)

当a为奇数,b为偶数,gcb(a,b) = gcb(a, b/2) = gcb(a, b>>1)

当a和b均为奇数,利用更相减损术运算一次,gcb(a,b) = gcb(b, a-b), 此时a-b必然是偶数,又可以继续进行移位运算。

比如计算10和25的最大公约数的步骤如下:

  1. 整数10通过移位,可以转换成求5和25的最大公约数
  2. 利用更相减损法,计算出25-5=20,转换成求5和20的最大公约数
  3. 整数20通过移位,可以转换成求5和10的最大公约数
  4. 整数10通过移位,可以转换成求5和5的最大公约数
  5. 利用更相减损法,因为两数相等,所以最大公约数是5

在两数比较小的时候,暂时看不出计算次数的优势,当两数越大,计算次数的节省就越明显。

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

最后总结一下上述所有解法的时间复杂度

1.暴力枚举法:时间复杂度是O(min(a, b)))

2.辗转相除法:时间复杂度不太好计算,可以近似为O(log(max(a, b))),但是取模运算性能较差。

3.更相减损术:避免了取模运算,但是算法性能不稳定,最坏时间复杂度为O(max(a, b)))

4.更相减损术与移位结合:不但避免了取模运算,而且算法性能稳定,时间复杂度为O(log(max(a, b)))

「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)「每日算法」什么是辗转相除法(辗转相除法是什么-)

本文原本只写到辗转相除法就终告结束,后来网友们指出还有更优化的解法,看来自己还是才疏学浅,很感谢大家指出问题。另外,方法的参数默认必定是正整数,所以在代码中省去了合法性检查。

文中描述的更相减损术是简化了的方式。在九章算术原文中多了一步验证:如果两数都是偶数,计算差值之前会首先让两个数都折半,使得计算次数更少。这种方法做到了部分优化,但古人似乎没想到一奇一偶的情况也是可以优化的。

由于篇幅所限,本文省略了关于辗转相除法原和更相减损术的原理及证明。其实证明过程并不复杂,细心的同学们也可以自己尝试研究一下。谢谢大家

本文摘自程序员小灰

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至89291810@qq.com举报,一经查实,本站将立刻删除。
(0)
上一篇 2024年4月18日 上午11:54
下一篇 2024年4月18日 下午12:00

相关推荐

  • 南昌理工学院好不好 口碑怎么样

    南昌理工学院是一所位于江西省南昌市的一所本科理工学院,成立于2001年,是江西省内历史悠久的高校之一。学校现有本科专业40个,研究生专业15个,覆盖了文、理、工、医、管、法、教育等…

    教育百科 2024年4月17日
  • 上学与不上学比例

    上学与不上学的区别 上学与不上学,这是很多人一直纠结的问题。上学的人,每天按时起床,按时上课,按时完成作业,还可能参加各种考试,最终目的是为了获得一份好成绩,进而进入理想的大学或进…

    教育百科 2026年1月16日
  • 三本可以叫大学吗

    三本可以叫大学吗? 近年来,随着高等教育的蓬勃发展,一些地区的三本学院也被人们称为大学。然而,三本学院是否能够被称为大学,存在着一些争议和不同的看法。 一方面,一些人认为,大学是一…

    教育百科 2025年1月31日
  • 排比的作用

    排比的作用 排比是一种修辞手法,通过重复相同或类似的词语或短语,来增强语言的表现力和感染力。在写作中,排比的作用非常重要,可以帮助作者表达更加深刻、丰富、有力的思想和感情,让读者更…

    教育百科 2024年12月11日
  • 网瘾治愈

    网瘾治愈:走出沉迷于网络的泥潭 网瘾,一种常见的心理健康问题,是指过度使用互联网和其他数字技术,导致对现实生活失去兴趣,并影响个人、家庭和社交生活的一种行为模式。网瘾已经成为一个全…

    教育百科 2026年2月18日
  • 抑郁症尿频

    抑郁症尿频 近年来,抑郁症已经成为全球范围内的一种热门疾病。据世界卫生组织统计,每年全球有超过1000万人患有抑郁症,而且抑郁症的上升趋势也在不断加剧。许多人患有抑郁症,但并不知道…

    教育百科 2025年11月3日
  • 网瘾怎么戒掉

    网瘾怎么戒掉 网瘾是一种严重的心理健康问题,常常影响人们的日常生活和工作效率。网瘾的特征是沉迷于网络,难以自拔,甚至影响到学业、工作和人际关系。如果发现自己或他人有网瘾的倾向,应该…

    教育百科 2025年2月15日
  • 休学后不想读书了(休学后不想读书)

    休学后不想读书 我从小就喜欢读书,每天沉迷在书的世界里,认为学习是乏味的,但随着时间的推移,我也意识到,学习是非常重要和必要的。于是,我决定休学一年,去追寻自己的兴趣爱好。 这一年…

    教育百科 2024年6月27日
  • 丽水休学条件

    丽水休学条件 随着经济的发展和社会的进步,人们的生活水平不断提高,但是与此同时,我们也面临着许多的问题和挑战。其中,休学条件就是一个重要的问题。下面,我们来探讨一下丽水休学条件。 …

    教育百科 2025年5月7日
  • without用法有哪些后面加什么3722002372

    Without用法有哪些后面加什么 在英语中, without 是一个常用的连词,可以用来表示没有、不、缺乏等意思。 without 连词的使用频率很高,而且用法也非常多样化。下面…

    教育百科 2025年1月24日

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注