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第7讲-初等数论的有关算法.ppt
* * * * * 复 习 贪心算法的基本要素? 贪心选择性质和最优子结构性质。 贪心算法与动态规划的共同点? 要求问题具有最优子结构性质 * 第7讲 初等数论 * 教学目标 能力目标: 能理解初等数论的概念; 能用数论进行程序的设计和编写; 能使用数论知识解决生活中的数学问题。 知识目标: 掌握最大公约数的基本数论知识; 掌握相关的数学公式和解题方法; 掌握使用自定义开发程序的过程。 本章重点和难点 重点: 初等数论相关的基本思想; 初等数论的计算步骤。 难点: 利用初等数论解决相关的问题。 初 等 数 论 人们在对整数进行运算的应用和研究中,逐步熟悉了整数的特性。比如,整数可以分为奇数和偶数两个大类等。利用整数的一些基本性质,可以进一步探索许多有趣和复杂的数学规律,于是产生了整数论,进一步发展,就叫作数论。 使用初等代数处理的数论问题即为初等数论。 * * 案例1:初等数论——欧几里得公式gcd(a,b) 计算a和b的最大公约数 * * 要求: 1.输入两个整数,返回这个两个整数的最大公约数。 2.假设此函数为int GCD(int m,int n)。 3.用递归方法。 1.1欧几里得算法概述 * 欧几里得算法又称辗转相除法,用于计算两个整数a,b的最大公约数。其计算原理依赖于下面的定理: gcd函数就是用来求(a,b)的最大公约数的。 gcd函数的基本性质: gcd(a,b)=gcd(b,a)=gcd(-a,b)=gcd(|a|,|b|) 1.2欧几里得算法的公式表述 * gcd(a,b)=gcd(b,a mod b) 证明:a可以表示成a = kb + r,则r = a mod b 1) 假设d是a,b的一个公约数,则有 d|a, d|b, 而r = a - kb,因此d|r ,因此d是(b,a mod b)的公 约数 ; 2) 假设d 是(b,a mod b)的公约数,则d | b , d |r , 但是a = kb +r ,因此d也是(a,b)的公约数 。 因此(a,b)和(b,a mod b)的公约数是一样的, 其最大公约数也必然相等,得证。 1.3欧几里得的递归算法 * 假设此函数为int GCD(int m,int n)。 可以定义如下: 若n=m且n能整除m,GCD(m,n)的返回值是n; 若mn,GCD(m,n)返回是GCD(n,m); 其它,GCD(m,n)返回是GCD(n,m%n)。 * * 课堂练习: 最大公约数 案例2:初等数论—— 计算N的最大互质数 传球游戏 * * 问题:N个人围圈玩传球游戏,开始时第一个人拿着球,每个人把球传给左手的第K个人。满足1=K=N/2。求K的最大值,使得第一个人重新拿到球之前,每个人都拿过球。 输入:整数N(3=N=10200) 输出:K的最大值 2.1思路点拨 用数学语言描述该题:给定一个整数N,求一个尽可能大的整数K,满足1=K=N/2,且gcd(K,N)=1。 * * * 根据N的奇偶情况得出问题的解: 如果N是奇数,那么最大的可能的K是N/2。由于K*2=N-1,所以gcd(K*2,N)=1,可以得到gcd(K,N)=1,所以直接输出N/2即可; 如果N是偶数且为4的倍数,则N/2显然不可能是符合要求的K。接着试验N/2-1,显然有gcd(N/2-1,N/2)=1,而由于N是4的倍数,所以N/2是偶数,N/2-1是奇数,所以gcd(N/2-1,N)=1。此时K就是N/2-1; 如果N是偶数但不是4的倍数,此时N/2-1也是偶数,显然不可能是正确答案。那么考察一下N/2-2,这是一个奇数。根据刚才的介绍,有gcd(N/2-2,N/2)=2,但是N/2是奇数,所以gcd(N/2-2,N/2)=1,得到gcd(N/2-2,N)=1。所以K就是N/2-2。 2.2算 法 描 述 * if n=2 then {answer=1;exit;} answer=N/2;/*若N/2是奇数,则返回N/2 if N是偶数 then { answer=answer-1; if answer是偶数 then answer=answer-1; } 输出answer; * * 课后作业: 传球游戏 (实训五) 对于初等数论类似的问题。首先,要能理解该问题运用到的初等数论的概念;其次,根据初等数论相关的基本思想,找出相应的数学公式;最后,进行程序的设计和编写。 利用初等数论的基本思想和计算步骤,有助于我们解决生活中遇到的各种数学问题。 * 小结 参考代码
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