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+P1 →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。