什么是模逆元

整数 a 除以整数 b，若得到的余数是 r，则记作

$$a \bmod{b} = r$$

例如

$$5 \bmod{3} = 2$$

$$-5 \bmod{3} = 1$$

模运算的部分性质如下：

$$(a + b) \bmod{c} = ((a \bmod{c}) + (b \bmod{c})) \bmod{c}$$

$$(a \cdot b) \bmod{c} = ((a \bmod{c}) \cdot (b \bmod{c})) \bmod{c}$$

$$a^{b} \bmod{c} = (a \bmod{c})^{b} \bmod{c}$$

如果你对模运算还不太熟悉，推荐先阅读 Khan Academy 的入门课程。

同余

两个整数 a、b，若它们除以正整数 n 所得的余数相等，即 $a \bmod{n} = b \bmod{n}$，则称 a 和 b 对于模 n 同余，记作

$$a\equiv b \pmod{n}$$

读作 a 同余于 b 模 n，或 a 和 b 关于模 n 同余。例如

$$2\equiv 8 \pmod{6}$$

当 k 为整数（$k \in \mathbb{Z}$）时，同余关系有如下性质。

$$a\equiv b \pmod{n}\ \ \ \ \Rightarrow \ \ \ \ ak\equiv bk \pmod{n}$$

当 k、n 互质时，有

$$ak\equiv bk \pmod{n}\ \ \ \ \Rightarrow \ \ \ \ a\equiv b \pmod{n}$$

模逆元

参考倒数（$xy = 1$）的定义，对整数 a 和 b，若

$$ab \equiv 1 \pmod{n}$$

则称 a 和 b 关于模 n 互为模倒数，也叫数论倒数、模反元素或模逆元（modular multiplicative inverse），还可以记作

$$b \equiv \frac{1}{a} \pmod{n}\ \ \ \ 或\ \ \ \ b \equiv a^{-1} \pmod{n}$$

类似于实数除法，在模 n 下的除法可以用和对应模逆元的乘法来表达。”分数取模”，等价于求分母的模逆元。

当 a、b 关于模 n 互为模逆元时，$b \bmod{n} = \frac{1}{a} \bmod{n}$

$$\frac{c}{a} \bmod{n} = (c \cdot \frac{1}{a}) \bmod{n} = ((c \bmod{n}) \cdot (\frac{1}{a} \bmod{n})) \bmod{n} = ((c \bmod{n}) \cdot (b \bmod{n})) \bmod{n} = (c \cdot b) \bmod{n}$$

例如

$$\frac{20}{3} \bmod{7} = ((20 \bmod{7}) \cdot (\frac{1}{3} \bmod{7})) \bmod{7} = (6 \times 5) \bmod{7} = 2$$

根据定义，求 a 关于模 n 的模逆元，若 b 是解，$k \in \mathbb{Z}$，则 $b + kn$ 也都是解，且最小的非负整数解小于 n，例如

$$2 \times 3 \equiv 1 \pmod{5}$$

$$2 \times 8 \equiv 1 \pmod{5}$$

即 3 和 8 都是 2 关于模 5 的模逆元，其中 3 是最小的非负整数解。所以求模逆元可以通过遍历 0 ~ n 来确定。

# find modular multiplicative inverse of 'a' under modulo 'n'
def modular_multiplicative_inverse(a: int, n: int) -> int:
    for i in range(n):
        if (a * i) % n == 1:
            return i
    raise ValueError('{} has no multiplicative inverse under modulo {}'.format(a, n))

但这种方法在 n 取值很大时效率不高。你可以参考文章 Modular multiplicative inverse，使用扩展欧几里得算法或费马小定理改进。

def extended_euclid_gcd(a: int, b: int) -> list:
    """
    Returns [gcd(a, b), x, y] where ax + by = gcd(a, b)
    """
    s, old_s = 0, 1
    t, old_t = 1, 0
    r, old_r = b, a
    while r != 0:
        quotient = old_r // r
        old_r, r = r, old_r - quotient * r
        old_s, s = s, old_s - quotient * s
        old_t, t = t, old_t - quotient * t
    return [old_r, old_s, old_t]


def modular_multiplicative_inverse(a: int, n: int) -> int:
    """
    Assumes that a and n are co-prime, returns modular multiplicative inverse of a under n
    """
    # Find gcd using Extended Euclid's Algorithm
    gcd, x, y = extended_euclid_gcd(a, n)
    # In case x is negative, we handle it by adding extra n
    # Because we know that modular multiplicative inverse of a in range n lies in the range [0, n-1]
    if x < 0:
        x += n
    return x

已知整数 a、n，使用扩展欧几里得算法可以求出整数 x、y、g 满足下式。

$$ ax + ny = g $$

其中，g 是 a 和 n 的最大公约数。上式两边同模 n，有

$$(ax + ny) \bmod{n} = (ax \bmod{n}) + (ny \bmod{n}) = ax \bmod{n} = g \bmod{n}$$

即

$$ax \equiv g \pmod{n}$$

当 a、n 互质时，$g = 1$，此时 x 就是解。当 $g \neq 1$ 时， a 关于模 n 的模逆元不存在。

两数互质的充分必要条件是两数的最大公约数为 1。也就是说，a 关于模 n 的模逆元存在的充分必要条件是 a 和 n 互质。

完整代码

modular_inverse.py