모듈로 곱셈 역원

December 28, 2021

모듈로 곱셈 역원

정의

정수 aa모듈로 곱셈 역원은 어떤 모듈로 mm에 대해 axa \cdot x가 1과 합동이 되도록 하는 정수 xx이다. 형식적으로 쓰면, aa의 모듈로 곱셈 역원은 다음 합동식을 만족하는 정수 xx를 일컫는다:

ax1modm.a \cdot x \equiv 1 \mod m.

이러한 xxa1a^{-1}으로 표기한다.

모듈로 곱셈 역원은 존재하지 않을 수도 있다. 예를 들어, m=4m = 4, a=2a = 2인 경우, 모듈로 mm에 대해 xx에 어떤 값을 대입하더라도 합동식이 성립하지 않음을 알 수 있고, 따라서 위 합동식을 만족하는 정수 a1a^{-1}는 존재하지 않는다. 모듈로 곱셈 역원의 존재성은 aamm이 서로소임과 동치임을 증명할 수 있다.

이 글에서는 모듈로 곱셈 역원이 존재하는 경우에 그것을 찾는 방법 두 가지와, 선형 시간에 모든 수의 모듈로 곱셈 역원을 계산하는 방법 한 가지를 소개한다.

확장 유클리드 호제법을 사용하여 모듈로 역원 계산하기

미지수 xx, yy에 대한 다음 방정식을 생각하자:

ax+my=1a \cdot x + m \cdot y = 1

이는 이변수 일차 디오판토스 방정식이다. 링크된 글에 알 수 있듯이, gcd(a,m)=1\gcd(a, m) = 1인 경우 방정식은 해를 가지고, 이를 확장 유클리드 알고리즘을 통해 계산할 수 있다. gcd(a,m)=1\gcd(a, m) = 1는 모듈로 역원이 존재하기 위한 조건이기도 하다.

양변에 모듈로 mm을 취하면 mym \cdot y는 사라지고 다음 합동식을 얻는다:

ax1modma \cdot x \equiv 1 \mod m

따라서, aa의 모듈로 역원은 xx이다.

구현은 다음과 같다:

int x, y;
int g = extended_euclidean(a, m, x, y);
if (g != 1) {
    cout << "No solution!";
}
else {
    x = (x % m + m) % m;
    cout << x << endl;
}

x를 수정하는 방법에 주목하자. 확장 유클리드 호제법의 결과 x는 음수가 될 수 있기 때문에 x % m 또한 음수가 될 수 있으므로 우선 m을 더하여 x를 양수로 만들었다.

이진 거듭제곱을 통해 모듈로 역원 계산하기

모듈로 역원을 찾는 다른 방법은 오일러 정리를 이용하는 것이다. aamm인 경우 다음 합동식이 성립한다.

aϕ(m)1modma^{\phi (m)} \equiv 1 \mod m

ϕ\phi오일러 피 함수이다. aamm가 서로소임은 모듈로 역원이 존재하기 위한 조건이다.

mm이 소수인 경우, 좀 더 간단한 페르마의 소정리가 된다:

am11modma^{m - 1} \equiv 1 \mod m

방정식의 양변에 a1a^{-1}를 곱하여 다음 사실을 관찰하자:

  • aa와 서로소인 mm에 대해 aϕ(m)1a1modma ^ {\phi (m) - 1} \equiv a ^{-1} \mod m이 성립한다.
  • 특히 mm이 소수인 경우 am2a1modma ^ {m - 2} \equiv a ^ {-1} \mod m이 성립한다.

위 결과를 사용하면, 이진 거듭제곱을 사용하여 O(logm)O(\log m) 시간 복잡도로 모듈로 역원을 쉽게 계산할 수 있다.

이전 절에서 소개된 방법보다 이해하기 쉽지만, mm이 소수가 아닌 경우 오일러 피 함수를 계산하기 어려울 수 있다. mm을 소인수분해해야 하기 때문이다. mm의 소인수분해를 알고 있는 경우에, 이 방법의 시간 복잡도는 O(logm)O(\log m)이다.

모든 수에 대해 모듈로 역원 계산하기

mm이 주어졌을 때, [1,m1][1, m - 1] 범위에 있는 모든 수에 대해 모듈로 역원을 계산하고자 한다.

이전 절에서 소개된 알고리즘을 사용하면 O(mlogm)O(m \log m) 계산 복잡도로 답을 얻을 수 있다.

O(m)O(m) 계산 복잡도를 갖는 알고리즘을 소개한다. mm이 소수인 경우에만 사용할 수 있다.

ii의 모듈로 역원을 inv[i]\text{inv}[i]으로 표기하면, i>1i > 1에 대해 다음 등식이 성립한다.

inv[i]=miinv[mmodi]modm\text{inv}[i] = - \left\lfloor \frac{m}{i} \right\rfloor \cdot \text{inv}[m \bmod i] \bmod m

따라서 구현은 아주 간단하다.

inv[1] = 1;
for(int i = 2; i < m; ++i)
    inv[i] = m - (m/i) * inv[m%i] % m;

증명

다음을 관찰하자.

mmodi=mmiim \bmod i = m - \left\lfloor \frac{m}{i} \right\rfloor \cdot i

양변에 모듈로 mm을 취하여 다음 등식을 얻는다.

mmodimiimodmm \bmod i \equiv - \left\lfloor \frac{m}{i} \right\rfloor \cdot i \mod m

양 변에 i1(mmodi)1i^{-1} \cdot (m \bmod i)^{-1}를 곱하여 다음 등식을 얻는다.

(mmodi)i1(mmodi)1miii1(mmodi)1modm(m \bmod i) \cdot i^{-1} \cdot (m \bmod i)^{-1} \equiv -\left\lfloor \frac{m}{i} \right\rfloor \cdot i \cdot i^{-1} \cdot (m \bmod i)^{-1} \mod m

이를 간단하게 쓰면 다음과 같다.

i1mi(mmodi)1modm,i^{-1} \equiv -\left\lfloor \frac{m}{i} \right\rfloor \cdot (m \bmod i)^{-1} \mod m,

연습 문제


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소프트웨어 개발자 권도현입니다. 문제해결을 좋아합니다.
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