辗转相除法与更相减损术(求最大公约数)

辗转相除法: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。

以上代码存在取模运算,大数据较大时,其效率较差

 

更相减损术: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。

以上代码避免了大整数取模的性能问题,但是其依靠两数求差的方式来递归,运算次数大于辗转相除法,比如计算10000和1,就要递归9999次

 

把辗转相除法与更相减损术的优势结合起来,在更相减损术的基础上使用移位运算

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。

 

 

 

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)))

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