什麼是中國剩餘定理

2022-03-25 08:48:03 字數 5034 閱讀 9577

剩餘定理詳細解法

中國數學史書上記載:在兩千多年前的我國古代算書《孫子算經》中,有這樣乙個問題及其解法:

今有物不知其數,三三數之剩二;五五數之剩三:七七數之剩二。問物幾何?

意思是說:現在有一堆東西,不知道它的數量,如果三個三個的數最後剩二個,如果五個五個的數最後剩三個,如果七個七個的數最後剩二個,問這堆東西有多少個? 你知道這個數目嗎?

《孫子算經》這道著名的數學題是我國古代數學思想「大衍求一術」的具體體現,針對這道題給出的解法是: n=70×2+21×3+15×2-2×105=23

如此巧妙的解法的關鍵是數字70、21和15的選擇: 70是可以被5、7整除且被3除餘1的最小正整數,當70×2時被3除餘2 21是可以被3、7整除且被5除餘1的最小正整數,當21×3時被5除餘3 15是可以被3、5整除且被7除餘1的最小正整數,當15×2時被7除餘2 通過這種構造方法得到的n就可以滿足題目的要求而減去2×105 後得到的是滿足這一條件的最小正整數。

韓信點兵又稱為中國剩餘定理

韓信點兵又稱為中國剩餘定理,相傳漢高祖劉邦問大將軍韓信統御兵士多少,韓信答說,每3人一列餘1人、5人一列餘2人、7人一列餘4人、13人一列餘6人……。

劉邦茫然而不知其數。

我們先考慮下列的問題:假設兵不滿一萬,每5人一列、9人一列、13人一列、17人一列都剩3人,則兵有多少?

首先我們先求5、9、13、17之最小公倍數9945(注:因為5、9、13、17為兩兩互質的整數,故其最小公倍數為這些數的積),然後再加3,得9948(人)。

中國有一本數學古書「孫子算經」也有類似的問題:

「今有物,不知其數,三三數之,剩二,五五數之,剩三,七七數之,剩二,問物幾何?」 答曰:「二十三」 術曰:

「三三數之剩二,置一百四十,五五數之剩三,置六十三,七七數之剩二,置三十,並之,得二百三十三,以二百一十減之,即得。凡三三數之剩一,則置七十,五五數之剩一,則置二十一,七七數之剩一,則置十五,即得。」

孫子算經的作者及確實著作年代均不可考,不過根據考證,著作年代不會在晉朝之後,以這個考證來說上面這種問題的解法,中國人發現得比西方早,所以這個問題的推廣及其解法,被稱為中國剩餘定理。

中國剩餘定理(chinese remainder theorem)在近代抽象代數學中占有一席非常重要的地位。

中國剩餘定理例題講解1

中國剩餘定理例題講解2

一道中國剩餘定理型別題(附兩種解法)

乙個三位數除以9餘7,除以5餘2,除以4餘3,這樣的三位數共有幾個?

答案:方法一:

用剩餘定理做:

7*100+2*36+3*45=907

9、5、4的最小公倍數是:180 907/180=5。。。7

所以這樣的三位數是:180*1+7=187 180*2+7=367 180*3+7=547 180*4+7=727 180*5+7=907

共有:五個

方法二:

列舉法: 類似題型若無特殊的條件,一般都通過列舉法找出符合條件的最小值,然後在此基礎上加上各除數的最小公倍數,則可以得出相應的答案。

具體到此題,我們可以利用一些特殊條件縮小範圍,減少列舉次數。

①因為除以4餘3,因此該數為奇數;

②因為除以5餘2,因此該數個位數為2或7,根據①,可知該數個位數應為7;

③因為除以9餘7,結合②,該數最少應為97;結合①,經過嘗試,得到符合條件的最小數值為187

④3個除數9、5、4的最小公倍數180,

因此符合條件的三位數有187、367、547、727、907共5個。

關於中國剩餘定理的一道數學題

一條長長的階梯,

如果每步跨 2 級,那麼最後餘 1 級;

如果每步跨 3 級,那麼最後餘 2 級;

如果每步跨 5 級,那麼最後餘 4 級;

如果每步跨 6 級,那麼最後餘 5 級;

如果每步跨 6 級,那麼最後餘 5 級;

只有當每步跨7級時,最後才剛好走完.

問這條台階最少有多少級.

答案:如果每步跨 2 級,那麼最後餘 1 級;

可知是個奇數如果每步跨 3 級,那麼最後餘 2 級;

可知+1就是3的整數倍如果每步跨 5 級,那麼最後餘 4 級;

可知尾是4或9.但是是個奇數,所以是9如果每步跨 6 級,那麼最後餘 5 級;

可知+1就是6的整數倍只有當每步跨7級時,最後才剛好走完.

可知是7的整數倍7*7=49 7*17=119 49+1不是3的倍數,排除了.

119+1是3和6的整數倍,所以台階有119級

在中國數學史上,廣泛流傳著乙個「韓信點兵」的故事:

韓信是漢高祖劉邦手下的大將,他英勇善戰,智謀超群,為漢朝的建立了卓絕的功勞。據說韓信的數學水平也非常高超,他在點兵的時候,為了保住軍事機密,不讓敵人知道自己部隊的實力,先令士兵從1至3報數,然後記下最後乙個士兵所報之數;再令士兵從1至5報數,也記下最後乙個士兵所報之數;最後令士兵從1至7報數,又記下最後乙個士兵所報之數;這樣,他很快就算出了自己部隊士兵的總人數,而敵人則始終無法弄清他的部隊究竟有多少名士兵。

這個故事中所說的韓信點兵的計算方法,就是現在被稱為「中國剩餘定理」的一次同余式解法。它是中國古代數學家的一項重大創造,在世界數學史上具有重要的地位。

最早提出並記敘這個數學問題的,是南北朝時期的數學著作《孫子算經》中的「物不知數」題目。這道「物不知數」的題目是這樣的:

「今有一些物不知其數量。如果三個三個地去數它,則最後還剩二個;如果五個五個地去數它,則最後還剩三個;如果七個七個地去數它,則最後也剩二個。問:這些物一共有多少?」

用簡練的數學語言來表述就是:求這樣乙個數,使它被3除餘2,被5除餘3,被7除餘2。《孫子算經》給出了這道題目的解法和答案,用算式表示即為:

用現代的數學術語來說,這幅「開方作法本源圖」實際上是乙個指數為正整數的二項式定理係數表。稍懂代數的讀者都知道:

《孫子算經》實際上是給出了這類一次同余式組

的一般解:

其中70、21、15和105這四個數是關鍵,所以後來的數學家把這種解法編成了如下的一首詩歌以便於記誦:

「三人同行七十(70)稀,

五樹梅花二一(21)枝。

七子團圓正半月(15),

除百零五(105)便得知。」

《孫子算經》的「物不知數」題雖然開創了一次同余式研究的先河,但由於題目比較簡單,甚至用試猜的方法也能求得,所以尚沒有上公升到一套完整的計算程式和理論的高度。真正從完整的計算程式和理論上解決這個問題的,是南宋時期的數學家秦九韶。秦

九韶在他的《數書九章》(見圖1一7一1)中提出了乙個數學方法「大衍求一術」,系統地論述了一次同余式組解法的基本原理和一般程式。

秦九韶為什麼要把他的這一套計算程式和基本原理稱為「大衍求一術」呢?這是因為其計算程式的核心問題是要「求一」。所謂「求一」,通俗他說,就是求「乙個數的多少倍除以另乙個數,所得的餘數為一」。

那麼為什麼要「求一」呢?我們可以從「物不知數」題的幾個關鍵數字70、21、15中找到如下的規律:

其中70是5和7的倍數,但被3除餘1;21是3和7的倍數,但被5除餘1;15是3和5的倍數,但被7除餘1,任何乙個一次同余式組,只要根據這個規律求出那幾個關鍵數字,那麼這個一次同余式組就不難解出了。為此,秦九韶提出了乘率、定數、衍母、衍數等一系列數學概念,並詳細敘述了「大衍求一術」的完整過程。(由於解法過於繁細,我們在這裡就不展開敘述了,有興趣的讀者可進一步參閱有關書籍。

)直到此時,由《孫子算經》「物不知數」題開創的一次同余式問題,才真正得到了乙個普遍的解法,才真正上公升到了

「中國剩餘定理」的高度。

從《孫子算經》到秦九韶《數書九章》對一次同余式問題的研究成果,在19世紀中期開始受到西方數學界的重視。1852年,英國傳教士偉烈亞力向歐洲介紹了《孫子算經》的「物不知數」題和秦九韶的「大衍求一術」;1876年,德國人馬蒂生指出,中國的這一解法與西方19世紀高斯《算術**》中關於一次同余式組的解法完全一致。從此,中國古代數學的這一創造逐漸受到世界學者的矚目,並在西方數學史著作中正式被稱為「中國剩餘定理」。

孫子剩餘定理-正文

中國南北朝時期(5~6世紀)著名的著作《孫子算經》中「物不知數」問題所闡述的定理。物不知數問題的原題是:「今有物,不知其數,三三數之剩二,五五數之剩三,七七數之剩二,問物幾何?

」這屬於數論的一次同餘方程組問題。用現代數學符號可表為求下列同餘方程的整數解:

式中   《孫子算經》中使用一種適合解一般的一次同餘方程組的方法,求得此特殊問題的最小整數解n=23。解題步驟是:選定5×7的乙個倍數,被3除餘1,即70;選定3×7的乙個倍數,被5除餘1,即21;選定3×5的乙個倍數,被7除餘1,即15。

然後按下式計算

式中105為3,5,7的最小公倍數,p為適當選取的整數,使得0<n ≤105,這裡取p=2。

上述問題和解法,可直接推廣為定理:設α1,α2,…,αn兩兩互素,則

, (1)

有整數解,且對模m是惟一的。若記最小正整數解為n,則

,式中kj滿足

。p為適當選取的整數,使得n≤m。「物不知數」問題,在歐洲是乙個知名的問題,高斯於19世紀初給出了它的一般性定理。

因此國際上稱上述《孫子算經》中的問題為孫子剩餘定理或中國剩餘定理。

《孫子算經》沒有給出求kj的具體演算法。宋代秦九韶在《數書九章》中第一次詳細地、完整地闡述了求解一次同餘方程組的演算法,他稱做「大衍總數術」,其中包括求kj的一種機械化演算法──大衍求一術。

秦九韶稱αj為「定數」,kj為「乘率」,由中屢減αj所得的餘數gj(<αj)為「奇數」。「大衍求一術雲:置奇右上,定居右下,立天元一於左上(圖1)。

先以右上除右下,所得商數與左上一相生(即相乘)入左下。然後乃以右行上下以少除多,遞互除之,所得商數隨即遞互累乘歸左行上下,須使右上末後奇一而止。乃驗左上所得,以為乘率。

」秦九韶在例題中曾以gj=3,αj=4為例,列出求kj的算草布式:

此時右上餘1,故左上即為乘率kj=3。

秦九韶還在歷史上首次提出了當 α1,α2,…,αn並非兩兩互素時, 求解(1)的方法。他設計了「兩兩連環求等,約奇弗約偶」,"復乘求定"等演算法,先約去諸模數α1,α2,…,αn中包含的多餘的因子,得到新的一組,使恰為 α1,α2,…,αn的最小公倍數。再對,中的因子重新歸併,得到使仍為α1,α2,…,αn的最小公倍數,且它們兩兩互素。

這樣便將問題化約為模數兩兩互素的情形。秦九韶尚未提及當α1,α2,…,αn並非兩兩互素時,方程(1)可解的條件。但從他所舉八道例題中有七道的模數滿足可解條件這一事實分析,許多人認為秦九韶已知道該條件。

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