算法-求最大公约数

向右看齐 2022-07-15 07:57 292阅读 0赞

摘要:主要用到了辗转相除法(欧几里得算法),更相减损术。

题目:求出两个整数的最大公约数。

方法一:

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。

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方法二:

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。

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方法三:

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。

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方法四:

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。

注:至于除二为什么不会破坏求最大公约数,需要思考下。基本的数学知识,如果不理解一奇一偶时为什么偶数除二还想等的话,可以这么

理解,奇数的最大公约数中是不会出现2的。

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注:java和python中!numberA&1都可以通过这种位运算判断奇偶(python中代码print(numberA&1))。但是这种位

运算判断后返回的应该是0或1,需要再用==判断一下。

(java中代码System.out.println(!((numberA&1)==0));)

(python中代码print(numberA&1==1))

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))) 【注:不要认为是O(min(a, b))/2) …】

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)))

注:这篇文章转载的时候其实还有很多坑没有细数,例如这两个算法的验证等。

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