Вычисление НОД. Алгоритм Евклида
Алгоритм Евклида дает возможность вычислить наибольший общий делитель для любых двух целых чисел. Для описания алгоритма рассмотрим следующие две леммы.
Лемма 1. Если , то .
Доказательство. Очевидно, что – общий делитель чисел и , поскольку и . Пусть – общий делитель чисел и , тогда . Значит, – наибольший общий делитель чисел и по определению.
Лемма 2. Пусть , причем числа и отличны от 0 и . Тогда
Доказательство. Пусть множество общих делителей чисел и , а множество общих делителей чисел и . Докажем, что .
Пусть , это значит, что и . Тогда по свойству делимости . Тогда, , следовательно, . Аналогично докажем, что . Из определения равенства двух множеств получим, что .
Если два числовых множества совпадают, то совпадают их наибольшие по величине элементы, что и доказывает лемму.
Сформулируем теперь алгоритм Евклида.
Рассмотрим два целых числа и . Пусть Требуется найти наибольший общий делитель чисел и .
Шаг 1. Разделим на . Если , то по лемме 1 получим, что .
Если число не делится на , то , где . Тогда по лемме 2
Шаг 2. Разделим на . Если , то (по лемме 1). Тогда .
Если не делится на , то , где . Тогда по лемме 2 , а значит, справедливо и
Продолжая процесс деления, получим последовательность остатков – убывающую последовательность целых неотрицательных чисел, вычисляемых по следующим рекуррентным формулам: .
Поскольку такая последовательность не может иметь бесконечно много членов, на некотором шаге очередной остаток окажется равным нулю. Тогда последний, отличный от нуля остаток и есть НОД чисел и .
Пример. Найдем НОД чисел и . Для этого разделим на , получим . Таким образом, первый полученный остаток .
Далее, разделим на , получим , при этом . Продолжим процесс деления:
, ;
, ;
, ;
, .
Таким образом, последний отличный от остаток равен , это и есть наибольший общий делитель чисел и .
В следующей теореме утверждается, что наибольший общий делитель двух чисел можно представить в виде линейной комбинации этих чисел с целыми коэффициентами.
Теорема 4.1. (линейное представление НОД )
Рассмотрим два целых числа и . Пусть , . Тогда найдутся такие целые числа и , что .
Доказательство. Докажем, что каждый из остатков , полученных в процессе выполнения алгоритма Евклида, можно представить в виде линейной комбинации чисел и с целыми коэффициентами. Тогда это утверждение будет справедливо в частности и для последнего, отличного от остатка, равного . Будем доказывать это утверждение методом математической индукции.
База индукции.
Пусть . Имеем , тогда . Получили, что остаток можно представить в виде линейной комбинации чисел и с целыми коэффициентами и .
Индукционный переход.
Пусть утверждение справедливо для всех натуральных чисел , не превосходящих : , при . Докажем, что это утверждение справедливо также для .
Из алгоритма Евклида следует, что
.
По индукционному предположению
и .
Следовательно, .
Положим и . Тогда , что и требовалось установить.
Пример. В предыдущем примере был найден НОД чисел и : . Найдем его линейное представление:
Итак, получили, что , т. е. представили НОД чисел и в виде их линейной комбинации с целыми коэффициентами.
Дата добавления: 2021-02-19; просмотров: 281;