辗转相除法原本是初等数论的内容,不过近年在中学数学里也有出现,是以算法初步的内容出现的,所以有必要简单介绍一下.并且我们在下一篇文章里,将结合菲波拉契数列导出辗转相除法的步数估计——拉梅定理.
辗转相除法又叫欧几里得算法,是欧几里得最先提出来的.不过这个名字有点不好,就如同在数学里说欧拉定理这个词一样,你不知道说的是哪个定理,因为欧拉发现的定理实在是太多……辗转相除法的实现,是基于下面的原理(在这里用(a,b)表示a和b的最大公因数)：
(a,b)=(a,ka+b),其中a、b、k都为自然数.………………①
也就是说,两个数的最大公约数,将其中一个数加到另一个数上,得到的新数,其公约数不变,比如(4,6)=(4+6,6)=(4,6+2×4)=2.要证明这个原理很容易：如果p是a和ka+b的公约数,p整除a,也能整除ka+b.那么就必定要整除b,所以p又是a和b的公约数,从而证明他们的最大公约数也是相等的.
基于上面的原理,就能实现我们的迭代相减法：
(78,14)=(64,14)=(50,14)=(36,14)=(22,14)=(8,14)=(8,6)=(2,6)=(2,4)=(2,2)=(0,2)=2
基本上思路就是大数减去小数,一直减到能算出来为止,在作为练习的时候,往往进行到某一步就已经可以看出得值.迭代相减法简单,不过步数比较多,实际上我们可以看到,在上面的过程中,由(78,14)到(8,14)完全可以一步到位,因为(78,14)=(14×5+8,14)=(8,14),由此就诞生出我们的辗转相除法.
用辗转相除法求(a,b).设r0=b,r1=a,反复运用除法算式,得到一系列整数qi,ri和下面的方程：
相当于每一步都运用原理①把数字进行缩小,上面右边就是每一步对应的缩小结果,可以看出,最后的余数rn就是a和b的公约数.我们以一个题为例说明基本过程.
例题：求(326,78)
所以(326,78)=2.这和我们用迭代相减法算出来的结果是一样的.所以中学的同学们应该看到,迭代相减法和辗转相除法在本质上是一样的,相对来说,减法比较简单,但是除法步数少.
我们要看到的是,在辗转相除法中,我们必须算到最后一步才知道rn是不是所求的最大公因数,所以我们把n称作辗转相除法里的步数.在明天,我们将利用辗转相除法的过程来导出此方法的步数估计——拉梅定理.