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Phương trình đồng dư tuyến tính

本文讨论线性同余方程的求解．

基本概念

设 \(a,b,n\) 为整数，\(x\) 为未知数，那么，形如

\[ ax\equiv b\pmod n \]

的方程称为 线性同余方程（linear congruence equation）．

求解线性同余方程，需要找到区间 \([0,n-1]\) 中 \(x\) 的全部解．当然，将它们加减 \(n\) 的任意倍数，依然是方程的解．在模 \(n\) 的意义下，这些就是该方程的全部解．

本文接下来介绍了两种求解线性同余方程的思路，分别利用了逆元和不定方程．对于一般的情形，逆元和不定方程的求解都需要用到 扩展欧几里得算法，因此，这两种思路其实是一致的．

用逆元求解

首先，考虑 \(a\) 和 \(n\) 互素的情形，即 \(\gcd(a,n)=1\) 的情形．此时，可以计算 \(a\) 的 逆元 \(a^{-1}\)，并将方程两边同乘以 \(a^{-1}\)，这就得到方程的唯一解：

\[ x \equiv ba^{-1} \pmod n. \]

紧接着，考虑 \(a\) 和 \(n\) 不互素的情形，即 \(\gcd(a,n)=d>1\) 的情形．此时，原方程不一定有解．例如，\(2x\equiv 1\pmod 4\) 就没有解．因此，需要考虑两种情形：

  • 当 \(d\) 不能整除 \(b\) 时，方程无解．对于任意的 \(x\)，方程左侧 \(ax\) 都是 \(d\) 的倍数，但是方程右侧 \(b\) 不是 \(d\) 的倍数．因此，它们不可能相差 \(n\) 的倍数，因为 \(n\) 的倍数也一定是 \(d\) 的倍数．因此，方程无解．

  • 当 \(d\) 可以整除 \(b\) 时，可以将方程的参数 \(a,b,n\) 都同除以 \(d\)，得到一个新的方程：

    \[ a'x \equiv b'\pmod{n'}. \]

    其中，\(\gcd(a',n')=1\)，也就是说，\(a'\) 和 \(n'\) 互素．这种情形已经在前文解决，所以，可以通过求解逆元得到方程的一个解 \(x'\).

    显然，\(x'\) 也是原方程的一个解．但这并非原方程唯一的解．由于转化后的方程的全体解为

    \[ \{x' + kn' : k\in\mathbf Z\}. \]

    这些解中落在区间 \([0,n-1]\) 的那些，就是原方程在区间 \([0,n-1]\) 中的全部解：

    \[ x \equiv (x' + kn')\pmod{n},\quad k = 0, 1, \cdots, d-1. \]

总结这两种情形，线性同余方程的 解的数量 等于 \(d=\gcd(a,n)\) 或 \(0\)．

用不定方程求解

线性同余方程等价于关于 \(x,y\) 的 二元一次不定方程：

\[ ax + ny = b. \]

利用所引页面的讨论，方程有解当且仅当 \(\gcd(a,n)\mid b\)，而且该方程的一组通解是

\[ \begin{aligned} x &= x_0 + t\dfrac{n}{d},\\ y &= y_0 - t\dfrac{a}{d}, \end{aligned} \]

其中，\(d=\gcd(a,n)\) 是它们的最大公约数，\(t\) 是任意整数．

进而，线性同余方程的通解就是

\[ x \equiv \left(x_0+t\frac{n}{d}\right)\pmod{n},\quad t\in\mathbf Z. \]

将 \(x_0\) 对 \(n/d\) 取模就得到同余方程的最小（非负）整数解，也就是上文的 \(x'\).

参考实现

本节提供的参考实现可以得到同余方程的最小非负整数解．如果解不存在，则输出 \(-1\)．

参考实现 
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// Extended Euclidean Algorithm.
// Finds integers x, y such that a*x + b*y = gcd(a, b),
// and returns gcd(a, b).
int ex_gcd(int a, int b, int& x, int& y) {
  if (!b) {
    x = 1;
    y = 0;
    return a;
  } else {
    int d = ex_gcd(b, a % b, y, x);
    y -= a / b * x;
    return d;
  }
}

// Solves the linear congruence equation:
//     a * x ≡ b (mod n), where n > 0.
// Returns the smallest non-negative solution x,
// or -1 if there is no solution.
int solve_linear_congruence_equation(int a, int b, int n) {
  int x, y;
  int d = ex_gcd(a, n, x, y);
  if (b % d) return -1;
  n /= d;
  return ((long long)x * (b / d) % n + n) % n;
}

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def ex_gcd(a, b):
    """
    Extended Euclidean Algorithm.
    Finds integers x, y such that a*x + b*y = gcd(a, b),
    and returns (gcd, x, y).
    """
    if b == 0:
        return a, 1, 0
    d, x1, y1 = ex_gcd(b, a % b)
    x = y1
    y = x1 - (a // b) * y1
    return d, x, y


def solve_linear_congruence_equation(a, b, n):
    """
    Solves the linear congruence equation:
        a * x ≡ b (mod n), where n > 0.
    Returns the smallest non-negative solution x,
    or -1 if there is no solution.
    """
    d, x, y = ex_gcd(a, n)
    if b % d != 0:
        return -1
    n //= d
    return (x * (b // d) % n + n) % n

习题

本页面主要译自博文 Модульное линейное уравнение первого порядка 与其英文翻译版 Linear Congruence Equation．其中俄文版版权协议为 Public Domain + Leave a Link；英文版版权协议为 CC-BY-SA 4.0．内容有改动．

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