📜  从给定序列 Y 生成序列 X 使得 Yi = gcd(X1, X2 , ... , Xi)(1)

📅  最后修改于: 2023-12-03 15:06:37.860000             🧑  作者: Mango

从给定序列 Y 生成序列 X 使得 Yi = gcd(X1, X2 , ... , Xi)

这个问题可以用线性时间复杂度的算法解决,下面介绍一种常用的解法。

设X为待求序列,Y为已知序列。对于任意一个区间[i,j],可以通过以下方式构造X的子序列:

  1. 当 i = 1 时,显然 Xi = Yi。
  2. 当 i ≠ 1 时,设 t = gcd(Yi, Xi-1)。则 Xk = t (i ≤ k ≤ j),因为Xi-1、Xi-2、...、Yi 都是t的倍数,所以t为这些数的最大公约数,同时也是Xk的最大公约数。而Yi可以看作Xi-1和Yi的最大公约数,所以t也是Yi和Xi-1的最大公约数。因此,这个构造方法是正确的。

现在的问题是如何在 O(n) 的时间复杂度内求出所有的 Xi。将 Xi-1 和 Yi 求最大公约数的过程可以用辗转相除法求解。辗转相除法的具体过程如下所示:

  1. 设X和Y为两个数,其中X >= Y。
  2. 每一次将X除以Y,余数为R。
  3. 若R为零,则Y为原来两个数的最大公约数。
  4. 若R不为零,将X = Y,Y = R,然后回到步骤2。

辗转相除法的时间复杂度为 O(logn),实际上可以证明,辗转相除法的最坏时间复杂度为 O(logn)。

使用辗转相除法求最大公约数的代码如下:

def gcd(x, y):
    if x < y:
        x, y = y, x
    while y != 0:
        r = x % y
        x = y
        y = r
    return x

至此,问题的解决方法已经很清晰了。对于每一个i,使用辗转相除法求出Xi-1和Yi的最大公约数,得到t,然后将t赋值给Xi和Xi+1 ...... Xj。最后求出所有的Xi,就可以得到答案。

下面是一个Python的实现:

def calculate_x(y):
    x = [y[0]]
    for i in range(1, len(y)):
        t = gcd(x[-1], y[i])
        x.append(t)
        for j in range(i - 1, len(y)):
            x[j] //= t
    return x

这个算法的时间复杂度是 O(nlogn) 的,因为需要进行 logn 次辗转相除法,每次辗转相除法的时间复杂度是O(logn)。但实际上,大部分情况下,这个算法的时间复杂度是线性的,因为单次辗转相除法的时间复杂度是 O(logn),而大部分数的大小都不会超过 logn,所以多数情况下,单次辗转相除法的时间复杂度是常数级别的。

如果需要更快速的算法,可以使用欧几里得算法和逆元等技巧,但这已经超出了本文的讨论范畴,感兴趣的读者可以自行研究。