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标题: 中国剩余定理新解 [打印本页]
作者: wangzc1634    时间: 2012-12-25 20:01
标题: 中国剩余定理新解
中国剩余定理新解& b) z+ Z% w1 i
为什么要编写本文？因为，中国剩余定理属于算术问题，算术的特征是准确性和唯一性。编写的目的是为了让人们确认它的准确性和唯一性，探索最简单的计算方法，便于人们推广应用。' u$ k7 K' Q$ z, F) b* [/ _+ K
本文的主要内容：1、原题，2、基本原理，3、计算方法比较，4、中国剩余定理的扩展，5、趣谈中国剩余定理。3 p: X$ l; H: b. W$ B# Z% i
一、原题
: f' r. W& Y7 V, N+ j. K中国剩余定理，又叫孙子定理，原文是：, h' D- q0 Z' z2 }
“《孙子算经》中的题目：有物不知其数，三个一数余二，五个一数余三，七个一数又余二，问该物总数几何？ 3 c& c# n- g/ ], |  o- g
《孙子算经》中的解法：三三数之，取数七十，与余数二相乘；五五数之，取数二十一，与余数三相乘；七七数之，取数十五，与余数二相乘。将诸乘积相加，然后减去一百零五的倍数。”对于这种解法（以下简称前人的计算方法）。- ]$ g- L9 m" e! a" @
那么，前人计算方法的原理是什么？只有从计算原理，才知道该计算方法是否正确，所求之数是否存在，存在于什么范围之内？计算方法最简单、最方便的是什么？& N1 @4 ]5 a5 F9 t3 z1 L8 N
中国剩余定理，是从一种现象开始，寻找解决现象的方法。本人认为应该从基础原理开始，便于人们掌握和应用：
) g2 u" `7 F) z. C7 F7 d二、基本原理) n# V, I1 [% ?( j
1、在整数中，用不同的器具，如2，3，5，7，11，13，17，…，N（素数）量一个固定的数，每一个量器都有一个固定的余数。  D7 _+ N' x' ]( D2 j/ \) d8 i
如某数为53，用2，3，5，7进行衡量，有53/2余1，53/3余2，53/5余3，53/7余4，即，53除以2，3，5，7都有一个固定的余数，也只有一个固定的余数。  o% y6 D# e6 l4 g7 Y% }+ G
2、用2，3，5，7，11，13，17，…，N作为器具，每一个量器取一个固定的余数，在2*3*5*7*11*13*17*…*N之内(也就是在除数的最小公倍数之内)，满足这些余数条件的数只有一个（具体分析见后）。8 d& ~2 r; ]7 o% [. ]
如用2，3，5，7量M，当M/2余1，M/3余2，M/5余4，M/7余5，得M＝89，89必然存在于2*3*5*7＝210之内，在每210个连续数之内满足M/2余1，M/3余2，M/5余4，M/7余5的数只有一个数，可以用89+210N表示。
0 D4 A4 T( s0 O; z; G. L必然存在的理由依据：用2，3，5，7，11，13，17，…，N作为器具时。自然数除以2可以取2种余数，余0，余1；除以3可以取3种余数，余0，余1，余2；除以5可以取5种余数，余0，余1，余2，余3，余4；…，除以N可以取N种余数，余0，余1，余2，余3，余4，…，余N-1。不同的余数排列组合共有2*3*5*7*11*13*17*…*N个，正好对应2*3*5*7*11*13*17*…*N之内的数，每一组不同的余数对应这之内的一个数。为什么存在一一对应呢？请看下面的具体计算。: n0 Z3 b2 B! z2 `; {
3、除以A余C的数，为等差数列C+AN中的数，也只有C+AN中的数满足除以A余C。
6 K1 K* O4 T% T. }& q如除以7余3的数，为等差数列3+7N中的数，也只有3+7N中的数满足除以7余3。
' V7 _0 |0 y  s# W- f4、除以A，B，…，C都余K，称为同余项。满足除以A，B，…，C都余K的数为等差数列K+（A*B*…*C）N，也只有K+（A*B*…*C）N中的数满足分别除以A，B，…，C都余K。$ K9 e3 o3 V) c% T8 I2 `
三、计算方法比较
7 Q' [/ x, e! \1 N# ~' h- k计算方法，指求除以素数2，3，5，7，11，13，17，…，N各取一个固定的余数，在2*3*5*7*11*13*17*…*N之中，寻找满足这些条件的这一个数的方法。
2 W1 ?  u6 W" y/ a5 {0 p7 [上面虽然说的是除以素因子2，3，5，7，11，…，N的依次排列，换为不同的素数A，B，C，D，E，…，Z这种说法仍然成立；排列顺序不一定依次，可以按自己的须要，认为怎样计算方便就怎样进行排列。6 }) M( W$ l1 u/ C8 U% a; n
解决这一问题，前人有两种方法，本人有一种计算方法，下面以同一个题进行比较：
& a9 s( r) F2 W9 b5 J7 ?) Z方法一、
# [8 R4 ^8 O$ `3 y前人的计算方法为什么成立？其解题思路为：
0 u8 E* D6 M  ?1 B) [( R2 i* h令某数为M，令素数为A，B，C，D，…，Z，已知M/A余a，M/B余b，M/C余c，M/D余d，…，M/Z余z。求M=？ . Z) N0 R+ l' g1 P: F/ Q
因为A，B，C，D，…，Z为不同的素数，故，B*C*D*…*Z不可能被A整除，有（B*C*D*…*Z）N中取A个连续项，这A个连续项分别除以A的余数必然存在0，1，2，3，…，A-1，每一个余数都不缺少。所以，从这A个连续项中必然能寻找到除以A余1的数。再用除以A余1的这个数*a，其积必然除以A余a，这个除以A余a的数，为能够被素数B*C*D*…*Z整除的数，为第一个数；* ]& z' P1 O) c& i! @3 ?8 L
再按同样的道理，从A*C*D*…*Z的倍数中寻找除以B余b的数，该数具备被素数A，C，D，…，Z整除的特性，为第二个数；
* x3 J" u& ]- T因为，第一个数除以A余a，第二个数能被素数A，C，D，…，Z整除，即能被A整除，所以，第一个数+第二个数之和，仍然保持除以A余a；4 `3 G9 `1 i. |6 Q/ ]
同理，第二个数除以B余b，因第一个数能被B整除，所以，第二个数+第一个数之和，仍然保持除以B余b。即，第一个数+第二个数之和，为满足除以A余a，除以B余b，并且，能被C，D，…，Z整除。
* l7 a) c2 |4 C+ ]- ^( S% e' @' I4 P按同样的方法，从A*B*D*…*Z的倍数中寻找除以C余c的数，该数具备能被A，B，D，…，Z整除的特性，为第三个数；# T% a8 }: A8 K4 A. N: q6 K
因第一个数和第二个数，都能被C整除，故第三个数+（第一个数+第二个数），仍然保持除以C余c；又因第三个数能被A、B整除，所以，（第一个数+第二个数）+第三个数之和，仍然保持除以A余a，除以B余b。即第一个数+第二个数+第三个数之和，为除以A余a，除以B余b，除以C余c的数，而且，能被素数D，…，Z整除的数；7 }: q+ S1 F) ]
依此类推，按上面的方法寻找到除以各素数余数的数之总和，为满足除以各素数余数的条件的数。总和再减去能被这几个素数共同整除的数（A*B*C*D*…*Z）N后，其差仍然保持除以各素数余数的条件的数。由此构成前人对中国剩余定理的解法。" R9 l. k6 y3 M/ S7 M
例：某数为M，M/3余2，M/5余4，M/7余3，M/11余6，求M＝？
8 A3 k& P9 c! i- B' Y解：2 b9 k* e8 U8 G7 g: D
1、5*7*11＝385，对385N取3项：385，770，1155，因385/3余1，有385*2＝770，为除以3余2的数；
  {+ P2 i0 |% r8 `4 M2、3*7*11＝231，对231N取5项：231，462，693，924，1155，因231/5余1，有231*4＝924，为除以5余4的数；
1 D/ k5 L/ d" q& f4 F) D3、3*5*11＝165，对165N取7项：165，330，495，660，825，990，1155，有330/7余1，得330*3＝990，为除以7余3的数；1 ~0 P# `# g! n+ ]
4、3*5*7＝105，对105N取11项：105，210，315，420，525，630，735，840，945，1050，1155，因210/11余1，有210*6＝1260，为除以11余5的数；4 _$ O  Q8 I8 O4 j
5、770+924+990+1260＝3944，因3*5*7*11＝1155，3944/1155余479，即479为满足这些条件的数。
3 J3 U- X; n# k9 q其实，前人的计算方法，完全可以简化一个步骤，直接寻找满足余数条件的数，省略一步乘以余数得寻找之数：  d2 ~4 \0 h( O) D4 Z2 |' }
1、5*7*11＝385，对385N取3项：385，770，1155，因770/3余2；# I7 H! z" Y6 \9 t4 q1 d* W$ B
2、3*7*11＝231，对231N取5项：231，462，693，924，1155，因924/5余4；
" A5 Q2 U8 o' o, p3、3*5*11＝165，对165N取7项：165，330，495，660，825，990，1155，因990/7余3；9 y1 L, o- x0 R; h, E, C# k' r" y4 V
4、3*5*7＝105，对105N取11项：105，210，315，420，525，630，735，840，945，1050，1155，因105/11余6。1 R, T- r3 g2 r) C
5、770+924+990+105＝2789，因3*5*7*11＝1155，2789/1155余479，即479为满足这些条件的数。
1 r, M4 V% \' ~5 i方法二、, {5 N% `" }) H2 \7 m
除以3余2为等差数列2+3N有：2，5，8，11，14，…，479，…，1154，要取5*7*11＝385项，! {* p; P# b2 f  Z. A
除以5余4为等差数列4+5N有：4，9，14，19，…，479，…，1154，要取3*7*11＝231项。0 {' g- h, V8 p1 V# n
除以7余3为等差数列3+7N有：3，10，17，24，…，479，…，1151，要取3*5*11＝165项，8 E2 X# h% \" ~: A" U6 s0 b, r
除以11余6为等差数列6+11N有：5，16，27，38，…，479，…，1149，要取3*5*7＝105项。
: y+ }' D+ L* U因4个等差数列在1155内，只有479都同时存在，所以，只有479为满足这些条件的数。
; F+ }% o7 t% ?& A方法二对于计算较大的剩余数，很不适用，不可取。3 w# \) i/ P' n9 X. U' q/ m) m; j3 S
本人的方法：
! [5 U+ o+ W' m+ G0 F# C" e4 C该计算方法，可以直观地说明剩余数在范围内存在的必然性和唯一性。我们边计算，边说明。, k! G# T+ m: z4 {; j+ S& [
(1)，初步计算：! ?. n: n' l/ Y: S) |
对于素数11来说，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，在这11个连续数中，只有6除以11余6，满足除以11余6为等差数列6+11N；) G7 r$ [% G% p+ I: M
素数7，对6+11N取7项，6，17，28，39，50，61，72，这7个数除以7余1，2，3，4，5，6，0都存在，这就是存在的必然性；只有17/7余3，这就是唯一性。因11*7＝77，即在77之内满足除以11余6，除以7余3的数只有17，满足这两个条件的数为17+77N，表明每77个连续数之内只有一个数满足这两个条件。
9 y$ Z1 v( B/ A* O3 @+ A素数5，对17+77N取5项：17，94，171，248，325，这5个数除以5余1，2，3，4，0都存在，这就是存在的必然性；只有94除以5余4，这就是唯一性。因77*5＝385，即在385之内满足除以11余6，除以7余3，除以5余4的数只有94，满足这三个条件的数为94+385N，表明每385个连续数中只有一个数满足这三个条件。, e& E8 H+ D& }" V0 z7 g2 G5 u
素数3，对94+385N取3项：94，479，864，这3个数除以3余1，2，0都存在，这就是存在的必然性；只有479除以3余2，这就是唯一性。因385*3＝1155，满足这4个条件的数为479+1155N，表明每1155个连续数中只有一个数满足这四个条件，也必然有一个数满足这四个条件。) V# |  z. X7 O3 ~& g( M5 K+ V
(二)，简化计算(该方法实用于计算大数)：
4 ?1 u; @! h* C1 a1，素数11，除以11余6为等差数列6+11Ｎ；  r7 C' C4 d! ~* a0 T0 e
2，素数7，将等差数列6+11Ｎ的首项和公差同除以7的余数为6和4，组成新的等差数列6+4Ｎ，取7项之内必然有除以7余3的数，第一项6，第二项(6+4)-7＝3，当出现与余数相同的数时，就不需要再往下计算了。代入原等差数列6+11*(2-1)＝17，因11*7＝77，得新的等差数列17+77Ｎ；/ R9 y6 B# d' f# M: I; q
3，素数5，将17+77Ｎ同除以5变为2+2Ｎ，取5项之内：2，4，得第二项满足条件，代入有17+77＝94，因77*5＝385，得新的等差数列94+385Ｎ；
- F. D" Q/ ~/ k3 Y4，素数3，将94+385Ｎ同除以3变为1+1Ｎ，取3项之内：1，2，得第二项满足条件，代入有94+385＝497，因11*7*3*5＝1155，即497+1155Ｎ数列的数都满足这4个条件。, L' E3 D. V% }6 B: D. u9 Z* }: u! b
本人的这种方法，是在3+5+7+11＝26个数之内，寻找在1155之内满足除以这4个素数余数条件的数，这种方法也叫滚雪球的方法，容易理解、操作都比前人的简单、方便。9 ~7 I5 ?4 k7 h- @

3 F9 X& h4 l4 I7 L4 P5 s7 Y$ K7 d/ ^方法二、同余的解法：
! {5 q4 x: p7 ?5 G$ I( V" e! h例M/5余3，M/11余4，M/19余3，M/29余4，M/37余3，求M＝？
  J3 n+ W% {7 I/ eM除以5，19，37同余3，满足除以5，19，37都余3为等差数列3+（5*19*37）N，即3+3515N；
8 O; d5 ~% o6 ^1 |M除以11，29同余4，满足除以11和29都余4为等差数列4+（11*29）N′，即4+319 N′。
' d. e7 v) t$ f0 b这里又出现三种解法：
) ^; N4 _1 H7 s6 a, m1、将3+3515N取319项，4+319 N′取3515项，共同有之数为此题的解；
* C  o/ Y+ G8 i. B6 \7 h2、将3+3515N取319项，寻找除以319余4的数，为此题的解；
" g: Q3 L9 }' s$ o方法1和2比较烦锁（略）。( r; \" z- o+ J  u, _0 d. G. v5 [; w# j
3、将3+3515N同除以29得等差数列3+6Ｎ取29项之内：3，9，15，21，27，4(当≥29时，减去29再算，下类似)，得第6项除以29余4，代入原等差数列3+3515(6-1)＝17578，因3515*29＝101935，得等差数列17578+101935N。
/ w2 K8 j* b: o2 Z1 H将等差数列17578+101935N同除以11得等差数列0+9Ｎ，取11项内：0，9，7，5，3，1，10，8，6，4，得第10项除以11余4，代入原等差数列17578+101935*(10-1)＝934993。又因5*11*19*29*37＝1121285，即在1121285之内只有M为934993时，满足M/5余3，M/11余4，M/19余3，M/29余4，M/37余3。等差数列934993+1121285N的数，都满足这些条件。
6 R4 ?* e$ o8 d' Y+ Y四、中国剩余定理的扩展8 O6 x& U5 T/ i1 R  Z0 ~1 J2 ?+ p
中国剩余定理在初始阶段，都是除以素数的余数。后来，不可避免地扩展到除以合数的余数问题。当涉及除以合数的余数后，就出现了有的题有解，有的题无解。这到底是为什么？+ s' \6 D& N# @4 n4 v0 g
前面说的是除以不同素数的余数，那么，除以任意数的余数是否存在必然性和唯一性呢？
# n0 `$ f% D( u3 s$ t这里的任意数，不包括0和1，任意数分为单合数、多合数、混合数、素数：2 m, E+ B# Z4 y
单合数，指由单个素因子组成的合数，如8，16等由单个素因子2组成；9，27，81等由单个素因子3组成。 5 I; A2 i, S0 S7 Y  H
多合数指两个以上不同素因子组成的合数，如30＝2*3*5。
- [  N! m- d5 t混合数指由单合数与多合数组成的合数，如840＝8*3*5*7。
6 i0 M: N: o- U7 V: u7 q例一，M/16余3，M/105余4，M/11余5，M/3余1，求M＝？
. M2 ]4 E$ x. X( g首先审题：16为单个素因子2，105＝3*5*7，还有11，3。这里只有一个重复素因子3，对于单个素因子3已经明确M/3余1；在多合数中M/105余4，用该余数4/3余1，没有矛盾，该题为可解之题。
) x' L# I# L6 }/ R4 |) Y抛开重复素数3后有：16*105*11＝18480，表明在18480内该题有解，有唯一的解：
9 ~: E+ M3 T; z- a9 n满足除以105余4为等差数列4+105N，将4+105N化为4+9Ｎ取16项内：4，13，6，15，8，1，10，3，得第8项满足除以16余3，代入原等差数列4+105(8-1)＝739，因105*16＝1680，即在1680内同时满足除以105余4，除以16余3，只有739，得等差数列739+1680N； 3 y9 P8 D! v* l4 [8 l1 F( d
将该等差数列739+1680N化为2+8Ｎ，取11项：2，10，7，4，1，9，6，3，0，8，5，满足除以11余5为11项，代入的等差数列739+1680(11-1)＝17539，因1680*11＝18480，满足这些条件的数只有17539+18480N等差数列的数。+ @. V' V2 \/ f. d
例二，Ｍ/135余37，Ｍ/63余28，Ｍ/105余7，求Ｍ＝？
7 @7 r8 m& o0 i; w9 j" ^) A这里的135＝3*3*3 *5，63＝3*3*7，105＝3*5*7。单合数有3的平方，3的立方；素数有3，5，7。计算最小公倍数时，单合数取素数Ｎ次方中最高的，即3*3*3＝27，表明该题有除数27，5，7。有27*5*7＝945，那么，满足这些条件的最小数在它们的公倍数945之内。' }; _1 Z9 I5 Y: Z+ {
审题：37/3余1，28/3余1，7/3余1；37/5余2，7/5余2；28/7余0，7/7余0。其余数除以素因子的余数，都没有矛盾，表明该题有解。
& E. j* s6 v+ T( ?5 w" a: O因Ｍ/135包括Ｍ/27和Ｍ/5，所以，该题变为：Ｍ/135余37，Ｍ/7余0。
4 z3 I$ }" r+ MＭ/135余37为等差数列37+135Ｎ，化为2+2Ｎ取7项内：2，4，6，1，3，5，0，得第7项除以7余1，代入原等差数列37+135*(7-1)＝847，即847+945Ｎ数列的数都满足这些条件。, k# c, J9 d6 t$ A9 ~8 u
说明：
! y& _0 _# S0 I* ?2 ?1、 单个素因子组成的合数是不能拆分的，其除数取素数Ｎ次方中最高的；
0 `7 U- M' V2 L3 L2、 多个素因子组成的合数是可以拆分的，拆分方法：为总余数除以各素因子；
5 C2 C" z' S! I* h3、 重复素因子，应先检验是否有矛盾，无矛盾是可解之题，有矛盾是无解之题；
2 O( L2 j7 i1 V/ s  W4、 重复素因子，重复合数，应当抛开重复后，再进行计算。
- |! A- V3 z; I; a' i5 x, n) L再举一个重复数的抛开，如M/105余19，M/165余139，求M＝？
' v4 i3 s" U2 J. `0 N; O审题：105＝3*5*7，165＝3*5*11，两个合数中都有素因子3和5，因总余数19/3余1，139/3余1；19/5余4，139/5余4，余数除以素因子的余数无矛盾，该题有解。* U3 B/ `/ X" s$ e( ^) s
选择抛开105中的3和5，剩余7，有19/7余5，原题变为M/7余5，M/165余139。6 b& d$ `. p# q% R
由M/165余139为等差数列139+165N，先化为6+4Ｎ取7项内：6，3，0，4，1，5，第6项满足除以7余5，代入原等差数列139+165*(6-1)＝964，因165*7＝1155，得满足该题的解为964+1155N。4 Z* S, U6 L; X$ l7 J3 F
中国剩余定理的结论：( k. A6 Y* N3 c2 T; n7 S
令任意固定整数为M，当M/A余a，M/B余b，M/C余c，M/D余d，…，M/Z余z时，这里的A，B，C，D，…，Z为除数，除数为任意自然数（不包括0和1）时；余数a，b，c，d，z为自然整数时。
. U1 t1 c' H6 p+ D- {( Q! m) Z% P　　1、当题正确时，在这些除数的最小公倍数内有解，有唯一的解，每一个最小公倍数内都有唯一的解；当题错误时，在整个自然数范围内都无解。 * ]9 e. O; b% f( v4 V% n
2、当M在两个或两个以上的除数的最小公倍数内时，这两个或两个以上的除数和余数同时定位M在最小公倍数内的具体位置，也就是M的大小。2 u( g- t1 Q' L- L
五、趣谈中国剩余定理
4 Y  S+ c; e. H1 o( E7 s# H. C我们以57为例，有57/2余1，57/3余0，57/5余2，57/7余1，57/11余2，57/13余5，57/17余6，57/19余0，57/23余11，57/29余28，57/31余26，57/37余20，57/41余16，57/43余14，57/47余10。& W8 W7 a) u2 Q  O) n
这里有15个素数作为57的参照，那么，所有素数的乘积大于57许多；分别乘积，大于57的也有许多，素数如3*5*7=105，2*3*11=66，2*47=94都大于57。所有素数的乘积与部分素数的乘积，对于57的定位如何呢？
- D# f. ^* E" S, R8 {（一）部分素数$ t6 Y2 {& L- `8 r; J# V
1、按3*5*7=105，为：) n0 y4 L( e# m; ^+ O  L8 U! y
满足除以7余1为等差数列1+7N，取5项有1，8，15，22，29，满足除以5余2为22，因7*5=35，得等差数列22+35N，
, j2 u; _! I' j% O' Z" t8 M对等差数列22+35N取3项为，22，57，92，满足除以3余0为57，因35*3=105，得等差数列57+105N满足除以3，5，7的余数条件；  {7 k4 T  Y6 T; `, |( u
2、按2*3*11=66，为：& w3 t  c- `% I
满足除以11余2为等差数列2+11N，取3项有2，13，24，满足除以3余0为24，因11*3=33，得等差数列24+33N，取2项24，57，有57满足除以2余1，因33*2=66，得等差数列57+66N满足除以2，3，11的余数条件；
9 F- N' R$ @  x8 d2 |3、按2*47=94为：满足除以47余10为等差数列10+47N，取2项10，57，有57满足除以2余1，因2*47＝94，得等差数列57+94Ｎ满足除以2和47的余数条件。
4 l0 }4 V) G# v2 Z9 D2 h& i（二）、全部素数2 l' v4 J$ x2 Z5 }' a
前面计算了除以素因子3，5，7的余数后，得等差数列57+105N，
5 t! T6 |( h8 c8 @9 z6 A, @再计算11时，将57+105N取11项，57，162，267，…，只有第一项满足除以11余2，因105*11=1155，得等差数列57+1155N，再计算13时，将该等差数列取13项，57，1212，2367，…，只有第一项满足除以13余5；……。
( f! ]# w% p& L也就是说，在614889782588491410之内的任意一个数，锁定了它除以这些素因子的余数；反过来除以这些素因子的余数，也锁定了在614889782588491410之内的这个数。不论你先计算除以哪一个素因子的余数，后计算除以哪一个素因子的余数，结果都是一样的。! p% e& V; r3 c6 A& r2 j
从这里也可以看出，当几个素因子的乘积大于这个数时，从除以这几个素因子的余数，就可以准确地计算出这个数。
, w& i+ `( I* {# `7 m& c; v8 L四川省三台县工商局：王志成。
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