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最大公约数

Greatest common divisor · GCD

同时整除两个整数且被所有公约数整除的非负整数。

条目类型
定义

形式陈述

整数 a,b(不全为零)的最大公约数是唯一正整数 d,满足

da,db,且任意 ca,b 都有 cd.

记作 d=gcd(a,b)。存在整数 x,y 使

gcd(a,b)=ax+by,

称为 Bézout 恒等式;它来自理想 (a,b)=gcd(a,b)Z。通常约定gcd(a,0)=|a|。若 gcd(a,b)=1,称 a,b 互素。更一般整环中的 gcd 若存在,只唯一到单位倍数;UFD 中每对非零元都有 gcd,但一般整环未必如此。

直觉

最大公因数中的“最大”按整除偏序理解,而不是只按数值大小:它整除两个数,并被任何其他公因数整除;取正号则消除了单位 1 带来的歧义。Bézout 形式又表明 gcd 是所有整数线性组合 ax+by 中最小的正元素,于是约数描述与理想生成描述在整数中完全一致。

例子与边界

gcd(30,18)=6,且 6=230318gcd(0,0) 常留作未定义,某些计算库约定为零,使用时需说明。由 da,b 不能只凭数值最大性证明 d 是 gcd,还需验证所有公共因子都整除 d。Bézout 表示在整数和 PID 中成立,在一般 UFD 中未必成立;例如x,yF[x,y] 中 gcd 为 1,但不存在 fx+gy=1。互素不表示两个数都是素数。

Euclidean 算法不仅给出 gcd,也能恢复 Bézout 系数。对 662414,有

662=414+248,414=248+166,248=166+82,166=282+2.

所以 gcd(662,414)=2;回代得到

2=84145662.

若把两个输入同时乘以非零整数 c,则 gcd 的绝对值也乘以 |c|;但在一般整环中只能说 gcd 在相差一个单位的意义下唯一,不能依赖整数的大小顺序来选代表元。

推论与应用

gcd 控制约分、模逆、线性丢番图方程、CRT 与欧几里得算法。Euclid 算法有效计算 gcd 和 Bézout 系数,进而求模逆、化简分数和解线性丢番图方程。gcd 条件控制 中国剩余定理 的兼容性,也区分互素、多项式公因子与主理想结构。

参考资料
  • Kenneth Ireland and Michael Rosen, A Classical Introduction to Modern Number Theory, 2nd ed., Springer, 1990,Ch. 1, greatest common divisors and Bézout identity。
  • Ivan Niven, Herbert S. Zuckerman, and Hugh L. Montgomery, An Introduction to the Theory of Numbers, 5th ed., Wiley, 1991,Ch. 1, gcd and relatively prime integers。
关系图谱11 个相邻概念 · 3 类关系

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