中国剩余定理

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中国剩余定理

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。

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+k∗b)%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。
 
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。也就是先求出5和7的公倍数模3下的逆元,再用逆元去乘余数。

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=k∗c(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k∗c。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−k∗b)%b=c”。所以(n1+n2+n3)%105就是最终的最小解。

这样一来就得到了中国剩余定理的公式:
假设整数m1,m2,…,mn两两互素,则对于任意的整数a1,a2,…an,方程组

中国剩余定理_第1张图片

都存在整数解,且若
在这里插入图片描述
都满足该方程组,则必有
在这里插入图片描述
,其中
在这里插入图片描述

具体而言,
在这里插入图片描述

代码

//中国剩余定理模板
typedef long long ll;
ll china(ll a[],ll b[],int n)//a[]为除数,b[]为余数
{
     
    ll M=1,y,x=0;
    for(int i=0;i<n;++i)  //算出它们累乘的结果
        M*=a[i];
    for(int i=0;i<n;++i)
    {
     
        ll w=M/a[i];
        ll tx=0;
        int t=exgcd(w,a[i],tx,y);  //计算逆元
        x=(x+w*(b[i]/t)*x)%M; 
    }
    return (x+M)%M;
}

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