Algorytm Euklidesa

Algorytm Euklidesa – algorytm wyznaczania największego wspólnego dzielnika dwóch liczb. Został opisany przez greckiego matematyka, Euklidesa w jego dziele „Elementy”, w księgach siódmej oraz dziesiątej.

Pierwsze wzmianki na temat tego algorytmu pojawiły się w dziele Euklidesa zatytułowanym „Elementy”, około trzysetnego roku przed naszą erą, co sprawia, że jest jednym z najstarszych, wciąż używanych algorytmów numerycznych. Pierwsza wersja algorytmu została opisana tylko dla liczb naturalnych. W XIX wieku powstały odmiany algorytmu dla liczb całkowitych Gaussa oraz wielomianów z jedną niewiadomą. Doprowadziło to do powstania współczesnych pojęć algebry abstrakcyjnej, takich jak dziedzina Euklidesa. W późniejszych czasach opracowano odmiany algorytmu dla innych struktur matematycznych, jak węzły czy wielomiany z wieloma niewiadomymi.

Istnieje wiele teoretycznych i praktycznych zastosowań algorytmu. Może on zostać wykorzystany do generowania rytmów muzycznych, stosowanych jako ostinato w muzyce[2]. Jest wykorzystywany w algorytmie RSA. Algorytm Euklidesa używany jest też do rozwiązywania równań diofantycznych, na przykład do znajdowania liczb spełniających zadany układ kongruencji (chińskie twierdzenie o resztach) czy znajdowania liczb odwrotnych w ciele skończonym. Może być także stosowany do generowania ułamków łańcuchowych w metodzie Sturma do obliczania pierwiastków rzeczywistych wielomianu. Wykorzystywany jest również w kilku współczesnych algorytmach do faktoryzacji liczb całkowitych.

Jeżeli algorytm zostanie zaimplementowany poprzez obliczanie reszt z dzielenia, a nie odejmowanie, to jest wydajny dla dużych liczb: nigdy nie wymaga więcej dzieleń niż liczba cyfr (w systemie dziesiętnym) mniejszej liczby pomnożona przez 5. Zostało to udowodnione przez Gabriela Lamé w 1844 i uważane jest za pierwszy przypadek analizy złożoności obliczeniowej algorytmu. Sposoby zwiększenia wydajności algorytmów zostały opracowane w XX wieku.

Największym wspólnym dzielnikiem dwóch liczb jest największa z liczb, która dzieli obie te liczby bez reszty. Algorytm Euklidesa opiera się na założeniu, że największy wspólny dzielnik dwóch liczb nie zmienia się, jeżeli od większej liczby odejmujemy mniejszą. Dla liczb całkowitych k, m oraz n załóżmy, że k jest wspólnym czynnikiem liczb A oraz B; załóżmy też, że A = ( n ∗ k ) , {\displaystyle A=(n*k),} B = ( m ∗ k ) {\displaystyle B=(m*k)} oraz A > B . {\displaystyle A>B.} Możemy teraz dokonać działania A − B = ( n − m ) ∗ k , {\displaystyle A-B=(n-m)*k,} wiemy więc, że k jest także wspólnym czynnikiem różnicy tych liczb.