中國剩餘定理

2021-02-13 桐學數學AI及編程

      中國剩餘定理,又稱孫子定理,或者韓信點兵問題,是中國古代求解一次同餘方程組的方法,是初等數論中的一個重要定理。一元線性同餘方程組問題最早可見於中國南北朝時期(公元5世紀)的數學著作《孫子算經》卷下第二十六題,叫做「物不知數」問題,原文如下: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?即,一個整數除以三餘二,除以五餘三,除以七餘二,求這個整數。《孫子算經》中首次提到了同餘方程組問題,以及以上具體問題的解法。

      網上能很容易搜到這個問題的秦九韶解法,其被後人編成了歌謠的形式。也很容易能找到用現代數學語言表達的推廣了的解法,將3,5,7推廣到任意多個兩兩互質的整數。本文不再贅述上述解法,而是從小朋友易於理解以及開拓數學思維的角度論述以下幾個問題。

       第一個是解的存在性問題。小朋友們為了考別人,很容易對原題進行改編,比如將原題改成:有物不知其數,二二數之剩一,四四數之剩二。問物幾何?一般初等數學比較關註解的求法,而不太注重解的存在性。實際上解的存在性才是第一位,解法才是第二位的。比如容易看出,改變後的題目的解顯然是不存在的,因為第一個條件能得出來是奇數,而第二個條件必須是偶數才能滿足。那麼究竟什麼條件下這個問題的解一定存在呢?早就有結論表明,只要其中的除數(比如3,5,7等)是兩兩互質的,那麼問題的解一定存在,並且有公式解法。

       第二個問題是解的唯一性的問題。原題的描述給人的感覺,似乎有唯一解。實際上描述並不準確,應該是求最小的解,否則解有無窮多個。比如如果x是一個解,那麼容易看出x+105(3*5*7)也是一個解。那麼在模105的意義下,解是否是唯一的呢?答案是肯定的。假設x和y都是解,那麼必然滿足(x-y)被3整除,被5整除和被7整除,那麼(x-y)必然被105整除。則所有的解必然具有x+105*k的形式,k=0時即為所求的最小解x。

       第三個問題是怎麼求解x的問題。雖然已經有很通用的公式來求解x,但一是對於小朋友來說過於複雜,很難記得住,二是照著公式求解基本不會對背後的原理有深入的理解,無益於開拓數學思維。下面介紹一種簡便的解法,既揭示了問題的本質,又易於小朋友們掌握。根據x除3餘2和除7餘2,容易得到(x-2)被3和7整除,那麼被21整除,則x具有2+21*k的形式。容易驗證,k=1, 即x=23時,也滿足除5餘3,則23即為所求的解。

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