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ユークリッドの互除法と一次不定方程式md 1fdb144
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ユークリッドの互除法ごじょほう一次いちじ不定方程式ふていほうていしき

date2026-07-14document_iddoc_08e6e0e0e25a04a4f6b40b2a321152a9descriptionユークリッドの互除法を最大公約数を余りへ落として保つ手順として説明し、拡張互除法・一次不定方程式の可解条件・mod逆元との関係を整理する。prerequisites整数の性質の基本 / 合同式と余りの基本 / 文字式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/congruences-and-remainders.lecture.n.md / data/lecture/math/number-theory/number-theory-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md / data/lecture/math/number-theory/continued-fraction-expansions.lecture.n.md / data/lecture/math/number-theory/chinese-remainder-theorem.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/field-basics.lecture.n.md / data/reference/math/algebra/gcd-and-linear-diophantine-techniques.reference.n.md / data/exercise/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、最大公約数さいだいこうやくすうあまりへとしてもわらず、その事実じじつ逆向ぎゃくむきにたどると ax+by=dかたち方程式ほうていしきけることを説明せつめいする。

互除法ごじょほうを「[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]もとめる手順てじゅん」としてだけおぼえるとあさい。本質ほんしつは、整数せいすうざん構造こうぞう一次いちじ不定方程式ふていほうていしき可解条件かかいじょうけんむす中心的ちゅうしんてき道具どうぐである。

2用語ようご定義ていぎ

2.1最大公約数さいだいこうやくすうGreatest common divisor

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b) とは、ab共通きょうつう約数やくすうのうち最大さいだいのものである。[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=d は「ab公平こうへいれる最大さいだい単位たんい」を意味いみする。

2.2一次いちじ不定方程式ふていほうていしきLinear Diophantine equation

ax+by=c

のように、係数けいすう整数せいすう整数解せいすうかいもとめる方程式ほうていしき一次いちじ不定方程式ふていほうていしきLinear Diophantine equationという。

不定ふてい」の命名めいめいかい一意いちいでなく(不定ふていさだまらない)、無数むすう存在そんざいることから命名めいめいDiophantine(ディオファントス)はこの種類しゅるい方程式ほうていしき研究けんきゅうした 3 世紀せいきのギリシャ数学者すうがくしゃ由来ゆらい

2.3ユークリッドの互除法ごじょほう

」の命名めいめいたがいに操作そうさかえしから命名めいめい英語えいご Euclidean algorithm(ユークリッドの算法さんぽう)は古代こだいギリシャの数学者すうがくしゃユークリッドが著書ちょしょ原論げんろん」(紀元前きげんぜん 3 世紀せいき)にしるしたことから命名めいめい

3方針ほうしん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](b,r)a=bq+r)をかえし、あまりが 0 になった直前ちょくぜん[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")] である。そのあと逆向ぎゃくむきに代入だいにゅう拡張互除法かくちょうごじょほう)して [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=ax+byかたち表現ひょうげんする。

4厳密げんみつ説明せつめい

4.11. なぜあまりへとしてよいか

a=bq+r のとき、ab共通きょうつう約数やくすう dr=a-bqるので dbr共通きょうつう約数やくすうでもある。ぎゃく同様どうよう成立せいりつするので

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](b,r)

あまりへとしても共通きょうつう約数やくすう集合しゅうごうわらない—これが互除法ごじょほう核心かくしんである。

4.22. ユークリッドの互除法ごじょほうれい[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](84,30)

ステップざんあま
184=30×2+24r=24
230=24×1+6r=6
324=6×4+0r=0終了しゅうりょう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](84,30)=6

4.33. 拡張互除法かくちょうごじょほう[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]ax+byかたち

ステップ 2 から逆向ぎゃくむきに代入だいにゅうする:

6=30-24×1

ステップ 1 より 24=84-30×2代入だいにゅう

6=30-(84-30×2)=3×30-84=(-1)×84+3×30

したがって x=-1, y=3ひとつのかいである。

4.44. 一次いちじ不定方程式ふていほうていしき可解条件かかいじょうけん

ax+by=c整数解せいすうかいつための必要十分条件ひつようじゅうぶんじょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)c

証明しょうめい必要ひつよう条件じょうけんd=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b) とすると a=da, b=db なので ax+by=d(ax+by)かならd倍数ばいすう

証明しょうめい十分じゅうぶん条件じょうけんc=dk かつ d=ax0+by0 なら c=a(kx0)+b(ky0)

一般解いっぱんかいひとつのかい (x0,y0) があれば全解ぜんかい

x=x0+bdt,y=y0-adt(tZ)

このしき全解ぜんかいあたえることを両方向りょうほうこうから確認かくにんする。まず、このしき左辺さへん代入だいにゅうすると、tふく部分ぶぶん

abdt-badt=0

相殺そうさいする。したがって、すべての tZ についてもと方程式ほうていしきたす。

ぎゃくに、(x,y)任意にんいかいとする。(x0,y0)かいなので、ると

a(x-x0)+b(y-y0)=0

である。a=dab=db[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=1けば、a(x-x0)=-b(y-y0) である。たがいにであることから b(x-x0) なので、ある tZ により x-x0=bt=(b/d)tける。これをしきもどすと y-y0=-at=-(a/d)tる。よって任意にんいかいうえかたちふくまれ、これが全解ぜんかいである。

4.55. mod 逆元ぎゃくげんとの関係かんけい

ax1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]nけることと [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,n)=1同値どうちである。これは ax+ny=1一次いちじ不定方程式ふていほうていしき)がけることと同値どうちだからである。互除法ごじょほうは mod 逆元ぎゃくげん計算けいさん中国ちゅうごく剰余定理じょうよていり中核ちゅうかく)をささえる。

5複数ふくすう解法かいほう

方法ほうほう 1(素因数分解そいんすうぶんかいa, bちいさければ素因数分解そいんすうぶんかい[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]直接ちょくせつ計算けいさんできる。ただしおおきなかずでは非効率ひこうりつ

方法ほうほう 2(互除法ごじょほう一般的いっぱんてき手法しゅほうO(logmin(a,b)) ステップで終了しゅうりょうする。

方法ほうほう 3(行列ぎょうれつ表現ひょうげん拡張互除法かくちょうごじょほう係数けいすう2×2 行列ぎょうれつせきとして管理かんりする方法ほうほう実装じっそう頻用ひんようされる。

6見分みわかた

  • [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]もとめたい → あまりへとせるかを確認かくにん
  • ax+by=cかたちた → まず [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)c確認かくにん
  • mod 演算えんざんざんしたい(逆元ぎゃくげん)→ 互除法ごじょほう逆元ぎゃくげん存在そんざい計算けいさん

7どこまで成立せいりつするか

2 変数へんすう一次いちじ不定方程式ふていほうていしき範囲はんいである。より多変数たへんすう高次こうじではことなる手法しゅほう必要ひつようになる。また多項式たこうしき[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]多項式たこうしきかんうえ互除法ごじょほう)へ拡張かくちょうできる。

8最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](b,r)(a=bq+r)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ax+by=cが整数解を持つ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)c
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]x=x0+bdt,y=y0-adt(tZ)

9一言ひとことでいうと

互除法ごじょほう[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")]もとめるだけでなく、mod 逆元ぎゃくげん一次いちじ不定方程式ふていほうていしき中国ちゅうごく剰余定理じょうよていりささえる中心的ちゅうしんてき道具どうぐである。

10関連かんれんリンク

data/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md data/lecture/math/algebra/congruences-and-remainders.lecture.n.md data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md data/lecture/math/number-theory/chinese-remainder-theorem.lecture.n.md data/lecture/math/number-theory/continued-fraction-expansions.lecture.n.md

11演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.exercise.n.md

12定石じょうせきリンク

data/reference/math/algebra/gcd-and-linear-diophantine-techniques.reference.n.md
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