解不定方程(从HDU1356说起)

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由题意,就是要解一个不定方程ax+by=d,要求(abs(x)+abs(y))最小。

一.exgcd

先从exgcd说起。由裴蜀定理可知,ax+by=gcd(a,b)必定存在整数解(x,y)。那么有:

ax+by=gcd(a,b)=gcd(b,a%b)=bx'+(a%b)y'				(1.1)

其中等号1,3用到了裴蜀定理,等号2用到了gcd的性质。

由a%b=a-a/b(本文中所有的除法都是整数除法)那么我们把等式最右边变形,可以得到:

ax+by=bx'+ay'-(a/b)y'=ay'+b(x'-(a/b)*y')			(1.2)

于是得到一组解:

x=y'								(1.3)
y=x'-(a/b)*y'							(1.4)

所以可以用递归的方式求解。

最后考虑一下边界条件,当b==0时,从线性同余方程的角度看x=1,y=0显然是一组可行解。

int exgcd(int a,int b,int &x,int &y){
	if(!b){
		x=1;
		y=0;
		return a;
	}
	int d=exgcd(a,b,x,y);
	swap(x,y);//此时x=y',y=x'
	y-=a/b*x;//考虑x,y的实际情况,也就是 y=x'-(a/b)*y'
	return d;//顺便吧gcd也求出来
}

二.求通解

再考虑这道题,等号右边并不是gcd,而是一个d,因为题目告诉你一定有解,所以gcd一定是d的因子,我们把x和y都乘上一个rate=(d/gcd(a,b)),得到一组初始的

x0=x*rate				(2.1)
y0=y*rate				(2.2)

接下来就要去找对x0和y0加加减减,来求这个MIN(abs(x0+dx)+abs(y0-dy))。

我们先考虑

再考虑dx和dy的关系:

a*x0+b*y0=d					(2.3)

对方程变形得到:

a*(x0+dx)+b*(y0-dy)=d				(2.4)

把里面的式子提出来得到:

a*dx-b*dy=0					(2.5)

那么就是:

dx/dy=b/a					(2.6)

考虑gcd(a,b),可以得到:

dx/dy=(b/gcd)/(a/gcd)				(2.7)

此时(b/gcd)与(a/gcd)是互质的所以可以取到的最小的dx和dy就是:

dx=(b/gcd)					(2.8)
dy=(a/gcd)					(2.9)

那么方程的通解一定满足如下条件:

ansx=x0+k*dx					(2.10)
ansy=y0-k*dy					(2.11)

三.问题转化

知道了通解,那么哪一组解才是最优的呢?

因为dx!=dy,不妨设dx>dy,我们假设此时x满足

|x|>>|dx|(>>表示远大于)

那么我们让

x+=t*dx					(3.1)
y-=t*dy					(3.2)

在x和y均不变号的情况下,答案会变小t*(dx-dy),是一组更优的解。所以最优解一定满足:

|x|<|dx|				(3.3)

那么问题就可以转化为变成了求方程关于x的最小正整数解。

但是问题在于,根据式(3.3),去掉绝对值后,x可能是负的。但是问题在于,我们要求的方程

a*x+b*y=d				(3.4)

可以变形为

y=(d-a*x)/b				(3.5)

我们上面已经证明,通过上述方程构造出来的x,上面方程中的y一定是有解的,那么对于一个确定的x,我们总希望y最小,因为dx>dy,那么如果x取到负数,那么一定会大大增加y的值,所以很有可能会更糟。所以我们只要考虑x取最小正整数的情况就可以了。(我直言了,我不会证明,但是我的直觉告诉我这样做很对,oj也告诉我这样做很对)。

反之,如果dy>dx,那么考虑y的最小正整数解即可。

四.求最小正整数解

那这就非常容易了(说白了就是取模):

ansx=(ansx%dx+dx)%dx

然后用式(3.5):

ansy=(d-a*ansx)/b

就完事了。

五.贴代码

看清题意,多写两个if就完事了

#include<iostream>
using namespace std;
#define ABS(x) (((x)>0)?(x):-(x))

int x,y,x1,x2,y1,y2,dx,dy;
int exgcd(int a,int b,int &x,int &y){
	if(!b){x=1,y=0;return a;}
	int d=exgcd(b,a%b,x,y);
	int t=x;x=y,y=t-(a/b)*x;
	return d;
} 

void read(int &x)
{
	x=0;int f=1;char ch=getchar();
	while(ch<'0'||ch>'9'){if(ch=='-')f=-1;ch=getchar();}
	while(ch>='0'&&ch<='9'){x=x*10+ch-'0';ch=getchar();}
	x*=f;return;
}

int main(){
	int a,b,d;
	while(1){
		read(a),read(b),read(d);
		if(!a&&!b&&!d)break;
		int gcd=exgcd(a,b,x,y);
		int rate=d/gcd;
		dx=b/gcd,dy=a/gcd;
		x1=x2=x*rate;
		y1=y2=y*rate;
		x1=(x1%dx+dx)%dx,y1=ABS(d-a*x1)/b;
		y2=(y2%dy+dy)%dy,x2=ABS(d-b*y2)/a;
		if(x1+y1<x2+y2||(x1+y1==x2+y2&&a*x1+b*y1<a*x2+b*y2))cout<<x1<<" "<<y1<<endl;
		else cout<<x2<<" "<<y2<<endl;
	}
}

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