中國剩余定理(孫子定理)


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問題:今有物不知其數,三三數之剩二,五五數之剩三,七七數之剩二。問物幾何?

簡單點說就是,存在一個數x,除以3余2,除以5余三,除以7余二,然后求這個數。上面給出了解法。再明白這個解法的原理之前,需要先知道一下兩個定理。

定理1:兩個數相加,如果存在一個加數,不能被整數a整除,那么它們的和,就不能被整數a整除。

定理2:兩數不能整除,若除數擴大(或縮小)了幾倍,而被除數不變,則其商和余數也同時擴大(或縮小)相同的倍數(余數必小於除數)。

以上兩個定理隨便個例子即可證明!

現給出求解該問題的具體步驟:

1、求出最小公倍數(3、5、7互質)

 lcm=3*5*7=105

2求各個數所對應的基礎數

(1)105÷3=35

 35÷3=11......2 //基礎數35

(2)105÷5=21

 21÷5=4......1

 定理2把1擴大3倍得到3,那么被除數也擴大3倍,得到21*3=63//基礎數63

3105÷7=15

15÷7=2......1

定理2把1擴大2倍得到2,那么被除數也擴大2倍,得到15*2=30//基礎數30

把得到的基礎數加和(注意:基礎數不一定就是正數)

35+63+30=128

4減去最小公倍數lcm(在比最小公倍數大的情況下)

x=128-105=23

那么滿足題意得最小的數就是23了。一共有四個步驟。下面詳細解釋每一步的原因。

(1)最小公倍數就不解釋了,跳過(記住,這里討論的都是兩兩互質的情況)

(2)觀察求每個數對應的基礎數時候的步驟,比如第一個。105÷3=35。顯然這個35是除了當前這個數不能整除以外都能夠被其他數整除,就是其他數的最小公倍數。相當於找到了最小的起始值,用它去除以3發現正好余2。那么這個基礎數就是35。記住35的特征,可以整除其他數但是不能被3整除,並且余數是2。體現的還不夠明顯,再看下5對應的基礎數。21是其他數的最小公倍數,但是不能被5整除,用21除以5得到的余數是1,而要求的數除以5應該是余1的。所以余數被擴大,就得到了相應的基礎數63。記住這個數的特征,可以被其他數整除但是被5除應該余三。同理,我們得到了第三個基礎數23,那么他的特征就是:可以被其他數整除,但是不能被7整除,並且余數為2。

(3)第三步基礎數加和,為什么要這樣做呢?利用就是上面提到的定理1。

35+63+30=128。對於3來說,可以把63+30的和看作一個整體,應該他們都可以被3整除。看着上面寫出的三個數的特征,運用定理1來說,就是在35的基礎上加上一個可以被3整除的倍數,那么得到的結果依然還是滿足原先的性質的,就是128除以同樣還是余2的。同理,對於5還說,這個數被除之后會剩余3;對於7來說,被除之后剩余2。所以說,我們當前得到的這個數是滿足題目要求的一個數。但是這個數是不是最小的,那就不一定了。

(4)應該不能確定是不是最小的數,這個時候就要用到他們的最小公倍數了。最小公倍數顧名思義,一定是一個同時被幾個數整除的最小的一個數,所以減去它剩余下來的余數還是符合題意要求的。當然也同樣可以運用定理1來解釋,只不過是加法變成了減法,道理還是一樣的。當然具體要不要剪還是要看和lcm的大小關系的。

稍微的總結一下:就是已知m1,m2,m3是兩兩互質的正整數,求最小的正整數x,使它被m1,m2,m3除所得的余數分別是c1,c2,c3。孫子定理的思想便是先分別求出被其中數mi整除余1而被另外兩個數整除的數Mi(i=1,2,3),則所求數之一的便是c1M1+c2M2+c3M3。由此我們可以得到n個兩兩互質數的情況。證明上面已經一步一步給出。

那么,到此為止基本的中國剩余定理的內容我們以及了解了,包括解答方法。那么如何編碼呢?按照上面這個思路去編碼,其實並不難。一共分為四大步。但是,大多數人的困惑在於如何求取基礎數。這里呢,提供兩種方法:

(1)第一種就是一直遞增,直到找到。例如:3的基礎數,35是其他數的最小公倍數。那么就從35開始,一直自增,直到余數為2,便停止(利用while循環)。

(2)第二種方法就是利用乘法逆元來求解基礎數:

以3為例,我們要怎么在5和7的倍數中找出一個數滿足%3=2(2、3條件類似)

用到我們最開始列出的定理二!是不是可以轉化成在5和7的倍數中找到一個數滿足%3=1就可以了呢?然后我們再*2就可以了,為什么會想要讓余數為1呢?因為這個跟逆元的求法幾乎一樣哇。

假設屬於3的基礎數為j,j的逆元為x,我們要使j*x%3==1成立,用費馬小定理擴展歐幾里得解得逆元x,

則滿足%3=2的這個數就是j*x*2。

 

下面給出模板:

ll x,y;
ll a[100005],b[100005];//a[i]是余數,b[i]是模數
void exgcd(ll a, ll b, ll &x, ll &y)    //拓展歐幾里得
{
    if(!b) 
        x = 1, y = 0;
    else
    {
        exgcd(b, a % b, y, x);
        y -= x * (a / b);
    }
}
ll china()
{
    ll ans=0,lcm=1,x,y;
    for(ll i=1;i<=k;++i) //因為b[i]中的數字都是互質的,所以lcm是乘積
        lcm*=b[i];
    for(ll i=1;i<=k;++i)
    {
        ll tp=lcm/b[i];//tp是偽基礎數
        exgcd(tp,b[i],x,y);//求逆元
        x=(x%b[i]+b[i])%b[i];//得到x的最小正整數解
        ans=(ans+tp*x*a[i])%lcm;//得到真正的基礎數,再求和
    }
    return (ans+lcm)%lcm;
}

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