中国剩余定理

来源:互联网 发布:小米5x手机壳淘宝卡通 编辑:程序博客网 时间:2024/06/10 10:41

中国剩余定理

     中国剩余定理是中国古代求解一次同余方程组的方法,是数论中的一个重要定理。

     设m1,m2,m3,...,mk是两两互素的正整数,即gcd(mi,mj)=1,i!=j,i,j=1,2,3,...,k.

则同余方程组:

x = a1 (mod n1)

x = a2 (mod n2)

...

x = ak (mod nk)

模[n1,n2,...nk]有唯一解,即在[n1,n2,...,nk]的意义下,存在唯一的x,满足:

x = ai mod [n1,n2,...,nk], i=1,2,3,...,k。

解可以写为这种形式:

x = sigma(ai* mi*mi') mod(N)

      其中N=n1*n2*...*nk,mi=N/ni,mi'为mi在模ni乘法下的逆元。

 

中国剩余定理非互质版

    中国剩余定理求解同余方程要求模数两两互质,在非互质的时候其实也可以计算,这里采用的是合并方程的思想。下面是详细推导。



中国剩余定理介绍

     在《孙子算经》中有这样一个问题:“今有物不知其数,三三数之剩二(除以3余2),五五数之剩三(除以5余3),七七数之剩二(除以7余2),问物几何?”这个问题称为“孙子问题”,该问题的一般解法国际上称为“中国剩余定理”。具体解法分三步:

  1. 找出三个数:从3和5的公倍数中找出被7除余1的最小数15,从3和7的公倍数中找出被5除余1 的最小数21,最后从5和7的公倍数中找出除3余1的最小数70。
  2. 用15乘以2(2为最终结果除以7的余数),用21乘以3(3为最终结果除以5的余数),同理,用70乘以2(2为最终结果除以3的余数),然后把三个乘积相加(15*2+21*3+70*2)得到和233。
  3. 用233除以3,5,7三个数的最小公倍数105,得到余数23,即233%105=23。这个余数23就是符合条件的最小数。

     就这么简单。我们在感叹神奇的同时不禁想知道古人是如何想到这个方法的,有什么基本的数学依据吗?

中国剩余定理分析

     我们将“孙子问题”拆分成几个简单的小问题,从零开始,试图揣测古人是如何推导出这个解法的。

     首先,我们假设n1是满足除以3余2的一个数,比如2,5,8等等,也就是满足3*k+2(k>=0)的一个任意数。同样,我们假设n2是满足除以5余3的一个数,n3是满足除以7余2的一个数。

     有了前面的假设,我们先从n1这个角度出发,已知n1满足除以3余2,能不能使得 n1+n2 的和仍然满足除以3余2?进而使得n1+n2+n3的和仍然满足除以3余2?

     这就牵涉到一个最基本数学定理,如果有a%b=c,则有(a+kb)%b=c(k为非零整数),换句话说,如果一个除法运算的余数为c,那么被除数与k倍的除数相加(或相减)的和(差)再与除数相除,余数不变。这个是很好证明的。

     以此定理为依据,如果n2是3的倍数,n1+n2就依然满足除以3余2。同理,如果n3也是3的倍数,那么n1+n2+n3的和就满足除以3余2。这是从n1的角度考虑的,再从n2,n3的角度出发,我们可推导出以下三点:

  1. 为使n1+n2+n3的和满足除以3余2,n2和n3必须是3的倍数。
  2. 为使n1+n2+n3的和满足除以5余3,n1和n3必须是5的倍数。
  3. 为使n1+n2+n3的和满足除以7余2,n1和n2必须是7的倍数。

    因此,为使n1+n2+n3的和作为“孙子问题”的一个最终解,需满足:

  1. n1除以3余2,且是5和7的公倍数。
  2. n2除以5余3,且是3和7的公倍数。
  3. n3除以7余2,且是3和5的公倍数。

    所以,孙子问题解法的本质是从5和7的公倍数中找一个除以3余2的数n1,从3和7的公倍数中找一个除以5余3的数n2,从3和5的公倍数中找一个除以7余2的数n3,再将三个数相加得到解。在求n1,n2,n3时又用了一个小技巧,以n1为例,并非从5和7的公倍数中直接找一个除以3余2的数,而是先找一个除以3余1的数,再乘以2。

    这里又有一个数学公式,如果a%b=c,那么(a*k)%b=a%b+a%b+…+a%b=c+c+…+c=kc(k>0),也就是说,如果一个除法的余数为c,那么被除数的k倍与除数相除的余数为kc。展开式中已证明。

    最后,我们还要清楚一点,n1+n2+n3只是问题的一个解,并不是最小的解。如何得到最小解?我们只需要从中最大限度的减掉掉3,5,7的公倍数105即可。道理就是前面讲过的定理“如果a%b=c,则有(a-kb)%b=c”。所以(n1+n2+n3)%105就是最终的最小解。

总结

   经过分析发现,中国剩余定理的孙子解法并没有什么高深的技巧,就是以下两个基本数学定理的灵活运用:

  1. 如果 a%b=c , 则有 (a+kb)%b=c (k为非零整数)。
  2. 如果 a%b=c,那么 (a*k)%b=kc (k为大于零的整数)。


eg:

传说西汉大将韩信,由于比较年轻,开始他的部下对他不很佩服。有一次阅兵时,韩信要求士兵分三路纵队,结果末尾多2人,改成五路纵队,结果末尾多3人,再改成七路纵队,结果又余下2人,后来下级军官向他报告共有士兵2395人,韩信立即笑笑说不对(因2395除以3余数是1,不是2),由于已经知道士兵总人数在2300~2400之间,所以韩信根据23,128,233,------,每相邻两数的间隔是105(3、5、7的最小公倍数),便立即说出实际人数应是2333人(因2333=128+20χ105+105,它除以3余2,除以5余3,除以7余2)。这样使下级军官十分敬佩,这就是韩信点兵的故事。 

 

 韩信点兵问题简化:已知 n%3=2,  n%5=3,  n%7=2,  求n。 


两道题是一样的。但是韩信当时计算出结果的? 
 韩信用的就是“中国剩余定理”,《孙子算经》中早有计算方法,大家可以查阅相关资料。 
“韩信点兵”问题计算如下: 

因为n%3=2, n%5=3, n%7=2 且 3,5,7互质 (互质可以直接得到这三个数的最小公倍数)

令x= n%3=2 , y= n%5=3 ,z= n%7=2
      使5×7×a被3除余1,有35×2=70,即a=2; 
       使3×7×b被5除余1,用21×1=21,即b=1; 
       使3×5×c被7除余1,用15×1=15,即c=1。 
那么n =(70×x+21×y+15×z)%lcm(3,5,7) = 23 这是n的最小解

 而韩信已知士兵人数在2300~2400之间,所以只需要n+i×lcm(3,5,7)就得到了2333,此时i=22