中国剩余定理即孙子定理的五种解法

加深一下理解,找了点纯数学的资料(老者善学,尤老骥伏枥,况乎我也):
“中国剩余定理”是公元5-6世纪、我国南北朝时期的一部著名算术著作《孙子算经》中的一个“物不知数”的解法问题:今有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?答曰:二十三。

《孙子算经》中虽然也有计算方法的叙述,如术曰:「三三数之剩二,置一百四十,五五数之剩三,置六十三,七七数之剩二,置三十,并之,得二百三十三,以二百一十减之, 即得。凡三三数之剩一,则置七十,五五数之剩一,则置二十一,七七数之剩一,则置十五,即得。」但也仅仅知道140+63+30=233、 233-210=23,得物数23。至于接着说的剩一、置70、置21、置15,应该是说140=70*2、63=21*3、30=15*2的来源,而 2、3、2又正是剩余数、210又正是除数3、5、7的最小公倍数的2倍。综合之,解的算式为70*2+21*3+15*2-2*3*5*7=23。虽然 如此,但仍不知为什么要这么算,还有, 70、21、15是怎样来的?等等,如读天书。如果换一个题目你能算吗?连照搬都没法搬。

    这个问题,过了八、九百年,到了宋代,才有秦九韶在《算书九章》中给以解答。但现代人读古代数书,正如读古代医书一样,绝大多数是丈二和尚模不着头了。

  “中国剩余定理”的现代数学提法是,解一元一次同余式方程组:

X≡2  (mod 3)

X≡3  (mod 5) 

X≡2  (mod 7)

    初等数论中有解法,得X最小值为23,通解为X=23 + 105K。但因为原理很难理解,所以也只能按公式规定的步骤与方法,依样画葫芦的计算罢了。时间一长也就忘光了。由此可见,“中国剩余定理”的理论及计算方法,还达不到普知的地步,不像一元二次方程的公式,初中生都知道公式怎样来的,怎样应用的。

    若要问我:你对“中国剩余定理”的态度是怎样的呢?回答只有两个字:“敬畏”。

 

    其实“中国剩余定理”,就是解一组带余除法的不定方程:

X÷3=A…2

X÷5=B…3

X÷7=C…2,

  若避开难点,换个角度看,那么解这组方程,不一定非用“同余式方程组”的解法。就我所知,有五个方法:

一、枚举法

二、解不定方程法

三、逐级满足法

四、化为相同除数的同余式法、

五、才用到典经的、不同除数的同余式组解法

    现将陈景润所著《初等数论Ⅰ》中的一个习题为例,分而习之。

试解

X≡2  (mod  7 )

X≡5  (mod  9 )

X≡1  (mod  5 )

 

                                      一 枚举法

 

X≡2  (mod  7 )           X÷7=A…2        X=7A+2

X≡5  (mod  9 )   相当于  X÷9=B…5   →   X=9B+5

X≡1  (mod  5 )           X÷5=C…1        X=5C+1

    枚举法就是按A=0、1、2、3、4…    B=0、1、2、3、4…   C=0、1、2、3、4…

代入各式,计算各式的X,当三个X相同时,就是一个解。

   A、B、C    0    1    2    3    4 …  9    10    11    12 …   16   17   18… 

   XA          2    9    16   23   30…  65   72    79    86…    

     XB        5   14    23   32   41 … 86

       XC      1    6    11   16   21 … 46   51    56    61 …    81   86  … 

   即,当A=12、B=9、C=17时,X 都等于86。所以最小 X=86。由于7、9、5的最小公倍数是315,所以,通解   X=86+315K  (K=0、1、2、3、…)

    枚举法就是凑,很‘笨’,但也最直观。适合小学生学习。也可用电子表格计算,那太快捷了。

 

                                       二 解不定方程法

X=7A+2

X=9B+5     →9B+5=7A+2    →9B=7A+2-5=7A-3    →B=(7A-3)/9

X=5C+1     →5C+1=7A+2   →5C=7A+2-1=7A+1    →C=(7A+1)/5

    由B=(7A-3)/9,算得:当A=3时,B=2,但A=3时,C=(7A+)/5=4.4。由于A、B、C只能是整数。所以 3、2、4.4这一组,不符合要求,要重算A。又由于B=(7A-3)/9的分母是9,所以下一个A,只能在3的基础上,增加一个9的倍数,所以A只能取12、21、30、39…有了A,再算B、C,当A、B、C全是整数时,才合格。结果如下:

A       B        C

3       2        4.4

12      9       17

21     16       29.6

可见,只能取A=12 、B=9  、C=17 , 代入原式:

X=7A+2=7*12+2=86

X=9B+5=9*9+5=86

X=5C+1=5*17+1=86

得 X=86、通解为X=86+315K

 

                                               三  逐级满足法

 

    这个方法的基本思路是:先解算出合符第一个方程的X1。再解算出合符第一、第二个方程的X2,令X2=X1+P1。关键是P1要保持第一个方程中的倍数要求,又要合符第二个方程中的剩余要求。再解算出合符第一、第二、第三个方程的X3,令X3=X2+P2,关键是P2要保持第一第二两个方程中的倍数要求,又要合符第三个方程中的剩余要求。这样逐级解算,满足全部条件。

    这使我想起老本行测量,好比测量平差的分组平差。只是测量分组平差时,要改化方程式的系数,比较麻烦,而这里仅要调整倍数与余数就行了。

    X=7A+2

    X=9B+5

    X=5C+1

   先解第一方程  X=7A+2。最简,X1=2。

   再解第二方程  X=9B+5 。令X2=X1+P1=2+P1。首先要求P1应是7的倍数7K,即P1只能=7、14、21、27…为什么呢,因为第一个方程X=7A+2中,有7A一项,所以X2最起码应是X2==X1+P1=2+P1=2+7K,即应是 9、16、23、30、…中的一个,才能满足第一个方程中的7倍数的要求。

   但仅仅这样取P1,不一定满足第二个方程中的剩余5的要求。为此,要统一考虑第一第二方程的总的剩余要求。要将X1=2看作是第一第二两个方程的总的余数的一部份。现在要求剩余为5,而前面已经有余数2了,所以P1除以9后,余数应为5-2=3,才能使总余数为5。这样才满足第二个方程中的剩余5的要求。

    总之,P1应是7的倍数、且P1÷9余3,这就是对P1的要求。

    用方程表示为:7K÷9=N…3,或(7K-3)/9=整数N。

将K=1、2、3、4…代入,K=1时,N=0.44,非整数,不合符要求。再往下算,得K=3时,N=2,整数了,合符要求。所以P1=7K =7*3=21。这样,X2=X1+P1=2+21=23

    注:请回头看看枚举法,当A=2、B=3时,也得XA=XB=23,凑两个方程容易。凑三个以上就难了。

 

    再解第三方程  X=5C+1,前已得X2=23。

    令X3=X2+P2=23+ P2。首先要求P2应是7*9=63的倍数63K,即P2只能=63、126、189…为什么呢,因为第一第二方程中有7A、9B,63是它们的最小公倍数。

   同样,P2不一定满足第三个方程中的剩余1的要求。为此,要统一考虑第一第二第三方程的总的剩余要求。要将X2=23看作是第一第二第三方程的总的余数的一部份。现在要求剩余1,而前面已经有余数23了,所以P2除以5后,余数应为1-23=-22,这样才满足第三个方程中的剩余1的要求。但余数=-22不是很怪吗?实际上不怪,因为在数论中,不管除数的大小,可以把除数归入余数之中的。例如83÷5=16…3,可以表示为 83÷5=15…8,也可以表示为 83÷5=21…… -22,它们用同余表示为 83 ≡3 (mod  5 ) 、83 ≡8 (mod 5 ) 、83 ≡-22 (mod  5 ),是相同的。现在第三式中除数是5,现要求余数为-22,便可以改化为5*5-22=25-22=3,即余3。

    这样,P2应是63的倍数、且P1÷5余3,这就是对P2的要求。

    用方程表示为:63K÷5=N…3,或(63K-3)/5=整数N。

   将K=1、2、3、4…代入,可得K=1时,N=12,合符要求。所以P2=63*1=63,即X3=X2+P2=23+63=86,这是最小解。通解为X=86+315K

 

                                   四 化为相同除数的同余式法

 

          X≡2  (mod  7 )

          X≡5  (mod  9 )

          X≡1  (mod  5 )

   这三个同余式,除数不同,分别为7、9、5,为了能利用同余式的和差特性,简化计算,先设法使它们的除数相同,为此:

X≡2  (mod  7 )两边都乘9*5,得X*45≡2*45  (mod 7*45 )  →45 X≡90   (mod 315 ) …(1)

X≡5  (mod  9 ) 两边都乘7*5,得X*35≡5*35  (mod 9*35 )  →35 X≡175  (mod 315 ) …(2)

X≡1  (mod  5 ) 两边都乘7*9,得X*63≡1*63  (mod 9*63 )  →63 X≡ 63  (mod 315 ) …(3)

    根据同余式的加减性质,(1)- (2)得:

(45-35) X≡(90-175)  (mod 315 )   →10 X≡-85  (mod 315 )  →10 X≡230  (mod 315 )

而10 X≡230  (mod 315 )就意味着(10X-230)÷315=商N (整数),由此解得X=86、N=2,合符整数要求,所以 X≡86  (mod 315 )

    验算:X≡86  (mod 315 ) ,两边都乘63,得 63 *X≡86*63  (mod 315 )

     →63 X≡5418  (mod 315 )  →63 X≡63  (mod 315 )正与(3)相同。没有算错。

    所以  X=86是最小解。通解为  X=86+315K或X≡86  (mod 315 )

 

                           五 典经的、不同除数的同余式组解法

 

X≡R1  (mod  m1 )     X≡2  (mod  7 )

X≡R2  (mod  m2)      X≡5  (mod  9 )

X≡R3  (mod  m3)      X≡1  (mod  5 )

    名词注释及计算步骤:

1  余数R:、R1=2、R2=5、R3=1

2  模,亦即除数m:例中m1=7、m2=9、m3=5

3  模的最小公倍数G:G=m1*m2*m3,例中M=7*9*5=315

4  衍数(局部公倍数)y:Y1=m2m3、Y2=m1m3,Y3=m1m2,例中Y1=9*5=45、Y2=7*5=35、Y3=7*9=63

5  乘率C:这是解算中国剩余定理的关键,而计算“乘率”的方法,是秦九韶在《数书九章》一书中首次提出  的,称之为“大衍求一术”。“求一”就是使(衍数*乘率)除以模(除数),而余数为1。即:

衍数Y*乘率C≡1  (mod  m),乘率C可以经过反算而得到。例中Y1C1≡1  (mod  7 )、

 Y2C2≡1  (mod  9 ) 、Y3C3≡1  (mod  5 )。

    计算C1方法。由Y1C1≡1  (mod  7 ), →45C1≡1  (mod  7 )  →(45C1-1)  /  7=整数N ,得C1=5。因为45*5=225,225-1=224,224÷7=32,32是整数,合符要求。C2、C3之计算也相仿。乘率C之计算见下表:

 

 

同余式 i

 衍数Y

乘率C

余1

模m

  检验  (Y*C-1)/m  = 整数

   1

  45

  5

 1

 7

(45*C-1)/7 =N   (45*5-1)/7 =  32

   2

  35

  8

 1

 9

(35*C-1)/9 =N  (35*8-1)/9 =  31

   3

  63

  2

 1

 5

(63*C-1)/5 =N  (63*2-1)/5 =  25

 

 

  

 

 

 

6  最终结果,X≡R1Y1C 1+R2Y2C2+R3Y3C3  (mod G)

即X≡Σ余数*衍数*乘率 (mod G),见下表计算:

 

 

i

余数R

衍数Y

乘率C

R*Y*C

1

2

45

5

 450

2

5

35

8

1400

3

1

63

2

 126

 

 

 

Σ

1976

 

 

 

 

 

 

 

X≡1976  (mod 315) 。1976 除去315的6倍后,剩下86,最终,

X≡86  (mod 315)

 

                          六 用分组的逐级满足法解“韩信点兵”

 

    陈景润 著《初等数论Ⅰ》例:

    韩信点兵:有兵一队,若列成5行纵队,则末行1人。成6行纵队,则末行5人,成7行纵队,则末行4人,成11行纵队,则末行10人。求兵数。

    设:X是兵数,依题意有:

X≡1  (mod 5)

X≡5  (mod 6)

X≡4  (mod 7)

X≡10 (mod11)

    现将四式分为两大组,对每组的两个式,都用逐级满足法,分别求出两个X。再合并求出最终X。这是我独自想出的方法,正确性、简便性如何,请一试验证之。

第一组:

X≡1  (mod 5)  →       X1=1

X≡5  (mod 6)  →      X2= X1+P1=1+P →P1=5K。

    关于余数,前已有1,现要求余5,则应余5-1=4,所以P1又应满足(5K-4)/6=整数N的要求。经电子表格凑算,当K=2时,N=1,行。这样,X2=1+5K=1+5*2=11,此两式最小公倍数5*6=30,所以 有X≡11  (mod 30) …(A)

 

第二组:

X≡4  (mod 7)  →       X3=4

X≡10  (mod 11)  →     X4=X3+P3=4+P3  →P3=7K。

    关于余数,前已有4,现要求余10,则应余10-4=6,所以P3又应满足(7K-6)/11=整数N的要求。经电子表格凑算,当K=4时,N=2,行。这样,X4=4+7K=4+7*4=32,此两式最小公倍数7*11=77,所以 有

X≡32  (mod  77) ……(B)

 

经分批解算,得到两个新的同余式:

X≡11  (mod  30) ……(A)

X≡32  (mod  77) ……(B)

    再用逐级满足法解。XA=11、XB=XA+PA=11+PA、PA=30K。

    关于余数,前已有11,现要求余32,则应余32-11=21,所以PA又应满足(30K-21)/32=整数N的要求。经电子表格凑算,当K=70时,N=27,行。这样,XB=11+30K=11+30*70=2111,此两式最小公倍数30*77=2310,所以有:

X≡2111  (mod 2310) ,即X=2111+2310K

 

    现再用第四节“化为相同除数的同余式法”来解算这两个新的同余式。

X≡11  (mod  30) ……(A),乘77,得 77X≡847  (mod  2310)……(1)

X≡32  (mod  77) ……(B),乘30,得 30X≡960  (mod  2310)……(2)

(1)- (2) ,得 47X≡-113  (mod  2310) ……(3),相当于要求(47X+113)/2310=N整数。由电子表格帮忙,算得X=2111,此时N=43,合符要求。所以也得到  X=2111+2310K。

    真是路路通啊,有收获。

 

                                       七   写后感

 

    2013年的国庆过得很忙,甚至还起了一个早床。感谢我的老伴,以她的勤劳与宽容,给了我闲暇与自由,使我能够安逸地做做算术、写写文章,自得其乐,有时间消磨我的时光。

    我仰望深邃的数学天空,深感自己的渺小。我浅尝一滴数学的清泉,来润湿一下我干枯的灵感。

 原文:http://blog.sina.com.cn/s/blog_a6f9a3b60101favb.html

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

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