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初等数论-模两两互质同余方程组解法

时间:2023-10-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:mn,故r≡s,这与它们是两个解矛盾,故同余方程组只有一个解.注 解方程组时取M′1,M′2,…

初等数论-模两两互质同余方程组解法

我国大约在公元三世纪成书的《孙子算经》里,已经提出并很好地解决了这类问题.其中,给出了“物不知数”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?”及其解法.

这一问题可用同余方程组表示:设有物x个,则

我们可以分析、求解如下:

被3,5整除而被7除余1的最小正整数是15;

被3,7整除而被5除余1的最小正整数是21;

被5,7整除而被3除余1的最小正整数是70.

从而,

15×2=30被3,5整除而被7除余2;

21×3=63被3,7整除而被5除余3;

70×2=140被5,7整除而被3除余2.

于是,和30+63+140=233必符合题目要求,即为所求.但此数不一定是符合要求的最小正整数,所以,从中减去3,5,7的最小公倍数105的整数倍,即可得到最小正整数解23.

因而,《孙子算经》里给出的解法是:“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,以之减二百一十,即得二十三.”

该问题及解法可推广为:“3除余a,5除余b,7除余c,问数几何?”其解为:x≡70a+21b+15c(mod105).

关于该解法公式,明朝程大位的《算法统宗》(1593年)给出了解法歌诀:“三人同行七十稀,五树梅花廿一枝.七子团圆整半月,除百零五便得知.”

更一般的情况,即模两两互质的同余方程组的求解方法,1247年宋朝秦九韶《数书九章》给出了“大衍求一术”,国际上称之为“中国剩余定理”.

定理1 (中国剩余定理)设正整数m1,m2,…,mn(n≥2)两两互质,b1,b2,…,bn是整数,则一元一次同余方程组

有且只有一个解:

其中,

证明 存在性.(www.xing528.com)

∵m1,m2,…,mn(n≥2)两两互质,Mk=M/mk,∴(Mk,mk)=1.

∴存在整数M′k,m′k,使得MkM′k+mkm′k=1成立.

即存在整数M′k,使得MkM′k≡1(modmk)(k=1,2,…,n).

而当l≠k(l,k=1,2,…,n)时,

∵M=m1m2…mn,Mk=M/mk,∴ml|Mk.

∴MkM′k≡0(modml).

∴b1M1M′1+b2M2M′2+…+bnMnM′n≡bkMkM′k≡bk(modmk).

∵m1,m2,…,mn(n≥2)两两互质,

∴x≡b1M1M′1+b2M2M′2+…+bnMnM′n(modM)是同余方程组的解.

唯一性.

设x≡r(modM),x≡s(modM)是同余方程组的两个解,则它们满足方程组中的每个方程,即

从而r≡s(modmk).由于m1,m2,…,mn(n≥2)两两互质,m=[m1,m2,…,mn]=m1m2…mn,故r≡s(modM),这与它们是两个解矛盾,故同余方程组只有一个解.

注 解方程组时取M′1,M′2,…,M′n为绝对值最小的值计算简便.

例1 求解“物不知数”问题.

例2 “韩信点兵”问题:5人一列剩1人,6人一列差1人,7人一列剩4人,11人一列差1人,求兵数.

解 设兵数为x,由题意得

显然,m1=5,m2=6,m3=7,m4=11;b1=1,b2=-1,b3=4,b4=-1.M=2310,M1=462,M2=385,M3=330,M4=210.

答:兵数为2111人.

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