Алгоритмы. Алгоритм Евклида. Часть 1

Приветствуем читателей и посетителей нашего сайта! Сегодня на learnpascal.ru открывается новая рубрика — Алгоритмы. В этой рубрике мы с вами будем разбирать различные алгоритмы, а также их реализацию на Паскале.

Для освоения материала сегодняшнего урока вам понадобится знание циклов и ветвлений.

Сегодня мы рассмотрим три алгоритма(из пяти) на нахождение наибольшего общего делителя двух целых чисел, два из которых непосредственно связывают с именем Евклида. Еще два мы рассмотрим в следующей части.
Наибольший общий делитель (НОД) двух чисел a и b — наибольшее целое число, которое делит их оба.
Пример: НОД(25, 5) = 5; НОД(12, 18) = 6.

Переборный алгоритм

Начинаем перебор с d — наименьшего из двух чисел. Это первый, очевидный кандидат на роль их наибольшего общего делителя. А затем, пока d не делит оба числа, уменьшаем его на единицу. Как только такое деление будет обеспечено, останавливаем уменьшение d.

var
  a, b, d: integer;

begin
  write('Введите два числа: ');
  readln(a, b);
  if a < b then d := a + 1 else d := b + 1; 
  {так как мы используем цикл с постусловием, 
  необходимо минимальное значение увеличить на один,
  иначе цикл repeat, в силу своих конструктивных особенностей,
  не учтет это минимальное число  
  и не сделает его кандидатом в НОД. Например, 5 и 25.}
  repeat d := d - 1
  until (a mod d = 0) and (b mod d = 0);
  write('NOD = ', d)
end.

Обратимся к этой программе, например, с числами 30 и 18. Тогда на пути к ответу(числу 6) ей придется перебрать числа: 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6.

Алгоритм Евклида «с вычитанием»

Пусть a и b — целые числа, тогда верны следующие утверждения:

1. Все общие делители пары a и b являются также общими делителями пары a — b, b;
2. И наоборот, все общие делители пары a — b и b являются также общими делителями пары a и b;
3. НОД(A,  B) = НОД(A — B, B), если A > B;
4. НОД(A, 0) = A.

Доказательство:

1. Если t — произвольный общий делитель a и b, то он делит и разность a — b. Действительно, из a = t * u и b = t * v следует, что a — b = t * u — t * v = t * (u — v). То есть t — также общий делитель а — b и b.
2. Обратно, если t — произвольный делитель общий делитель a — b и b, то он делит и их сумму a — b + b = a. Это можно доказать аналгично предыдущему. Поэтому t — также общий делитель a и b.
3. Делаем вывод, что множество общих делителей a и b совпадает с множеством делителей a — b и b. В частности, совпадают и наибольшие общие делители этих пар.
4. Наибольшее целое, на которое делится число a, есть само число а. Число 0 делится на любое число. Отсюда наибольший общий делитель а и 0 равен а.

Доказанная формула(3) позволяет свести вычисление наибольшего делителя одной пары к вычислению наибольшего общего делителя другой пары, в которой числа уже меньше. Очевидная же формула (4) дает нам понять, когда надо остановиться.

Вкратце алгоритм Евклида «с вычитанием» будет таким. Вычитаем из большего числа меньшее и заменяем большее на разность до тех пор, пока одно из чисел не обратится в нуль. Тогда оставшееся ненулевое число — наибольший общий делитель.

Пример. Пусть а = 82 и b = 60. НОД(82, 60) = НОД(22, 60) = НОД(22, 38) = НОД(22, 16) = НОД(6, 16) = НОД(6, 10) = НОД(6, 4) = НОД(2, 4) = НОД(2, 2) = НОД(2, 0) = 2.

На предпоследнем шаге алгоритма, перед появлением 0, оба числа равны, иначе не мог возникнуть 0. Поэтому мы будем извлекать НОД именно в этот момент.

Блок — схема алгоритма Евклида «с вычитанием»

Программа

var
  a, b: integer;

begin
  write('a = '); 
  readln(a);
  write('b = ');
  readln(b);
  while a <> b do 
    if a > b then 
      a := a - b 
    else 
      b := b - a;
  writeln('NOD = ', a);
end.

Алгоритм Евклида с «делением»

Пусть a и b — целые числа, а r — остаток от деления a на b. Тогда НОД(a, b) = НОД(b, r).

Эта формула также позволяет свести вычисление наибольшего общего делителя одной пары чисел к вычислению наибольшего обшего делителя другой пары чисел.

Пример. НОД(82, 60) = НОД(22, 60) = НОД(22, 16) = НОД(6, 16) = НОД(6, 4) = НОД(2, 4) = НОД(0, 2) = 2.

var
  a, b: integer;

begin
  write('a = ');
  readln(a);
  write('b = ');
  readln(b);
  while (a <> 0) and (b <> 0) do
    if a >= b 
    then 
      a := a mod b 
    else 
      b := b mod a;
  write(a + b)
end.

На сегодня все! Еще несколько модификаций алгоритма Евклида и способов нахождения НОД вы узнаете на следующих уроках.