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中国在古代数学方面取得了辉煌的成就。今天大吴就来介绍一下中国的剩余定理,这个定理在中国数学史上非常有名。
1 韩信点兵问题
这个问题要从一个叫“韩信点兵”的故事说起。
那么韩信是如何快速计算出士兵数量的呢?韩信的点兵问题,可以用现代数学语言描述为:若兵数为,则除以3 2以上,除以5 4以上,除以7 6以上。
我们也可以用同余来表达这个问题:
我们发现,如果除法,可以同时除以3、5、7,也就是。
所以一定是3,5,7的最小公倍数的整数倍。因为3,5和7互质,那么
因此
也就是
这时候,哪里是正整数
就这样,韩信算出了剩余士兵的数量。
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今天,我不知道事情的数量。事物的几何是什么?
转换成现代数学语言,就是求解整数满足的同余式。
这个问题和上面说的韩信点兵的问题差不多,但是没有上一个好,因为一个数无论加减多少,都不能同时被3、5、7整除。那么,如何解决这个问题呢?
宋代数学家秦于1247年在《数书九章》卷一、卷二中对“物不知数”问题作了完整系统的回答。明代数学家程大伟将此解编成《孙子兵法》的一首通俗易懂的歌:
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三人行七十回,五树二十一社(二十一),七子聚半月,除使臣一百零五。
这首诗的意思是:把3除所得的余数乘以70,5除所得的余数乘以21,7除所得的余数乘以15。全部相加后除以105得到的余数就是答案。
根据这个算法,你可以得到:
所以,未知数的问题的最小正整数解,其实是23确实满足除以3/2,除以5/3,除以7/2的要求。这个问题的一般解决方案是
其中是自然数。
3 中国剩余定理
对于这个问题,如果是一般情况,应该怎么处理?例如,有同余:
我们把这个问题分解成三个同余方程。
那么初始问题有最小正整数解。
所以,只要你能找到一个符合条件的。例如,它可以通过同余公式获得,
因此
所以存在使得
因此
的存在是可以证明的,因为有以下定理:
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如果是这样的话,它必须存在才能使
对于这个定理的证明,我们可以考虑集合中的最小正整数,只要证明这个最小正整数是1。
考虑最小的正整数,只需要证明,因为互质只能是1。
这可以用反证法来证明:不能整除的,一定是。
因此
因此,余数也可以用一个整数乘以另一个整数乘以的形式来表示,而且因为它小于,这就与最初认为它是最小正整数的假设相矛盾,所以一定有
因此,证明了存在。
其实这不仅存在,而且很容易找到,其中70是能同时被5和7整除,又能被3和1整除的最小正整数。因此可以得出同样的原理,所以这类问题有一个通解:
原来上面那首古诗里出现的70,21,15这三个数字就是这么来的!
一般来说,给定不同的素数,同余方程
一定有解决的办法。要解决这个问题,我们只需要构造基本的解系统:
所以有
因为是质数,所以它们的存在是显而易见的。
解决上述问题的过程和方法称为“中国剩余定理”,又称“孙子定理”。
中国剩余定理的传播最早于1852年由英国驻华传教士伟烈亚力传入欧洲,他在《孙子兵法》中引入了解决“物是未知的”问题的方法。1874年,英国数学家马锡森指出,这种方法符合高斯在1801年得到的同余解的一般定理。因此在西方被称为“中国剩余定理”,成为初等数论中非常重要的定理。
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