中国剩余定理介绍
在《孙子算经》中有这样一个问题:“今有物不知其数,三三数之剩二(除以3余2),五五数之剩三(除以5余3),七七数之剩二(除以7余2),问物几何?”这个问题称为“孙子问题”,
明朝数学家程大位在他著的《算法统宗》(1593年)中就用四句很通俗的口诀暗示了此题的解法:
三人同行七十稀,
五树梅花甘一枝,
七子团圆正半月,
除百零五便得知。
"正半月"暗指15。"除百零五"的原意是,当所得的数比105大时,就不断减105,直到使之小于105;这相当于用105去除,求出余数。用数学的方式表达就是(70*3+21*5+15*7)%105=23
该问题的一般解法在国际上称为“中国剩余定理”。具体解法可以分为三步:
1. 找出三个公倍数:
从3和5的公倍数中找出被7除余1的最小数15;
从3和7的公倍数中找出被5除余1 的最小数21;
从5和7的公倍数中找出除3余1的最小数70。
2. 求稍微变化后的三个数的和:
用15乘以2(2为最终结果除以7的余数);
用21乘以3(3为最终结果除以5的余数);
用70乘以2(2为最终结果除以3的余数);
把三个乘积相加(15*2+21*3+70*2)得到和233。
3. 求符合条件的最小数:
用三个乘积的和233除以3,5,7三个数的最小公倍数105,得到余数23,即233%5=23。这个余数23就是符合条件的最小数。
中国剩余定理分析(两两互质)
我们可以将“孙子问题”分解成几个简单的小问题。
首先,我们假设n1是满足除以3余2的一个数,比如2,5,8等等。同样,我们假设n2是满足除以5余3的一个数,n3是满足除以7余2的一个数。
有了这些假设,我们先从n1角度分析,已知n1满足除以3余2,能不能使得 n1+n2 的和仍然满足除以3余2呢?进而使得n1+n2+n3的和仍然满足除以3余2呢?
这里涉及到一个基本的数学定理,如果有a%b=c,则有(a+kb)%b=c(k为非零整数),通俗地讲,如果一个除法运算的余数为c,那么被除数与k倍的除数相加(或相减)的和(差)再与除数相除,余数不变。
根据这个定理,如果n2是3的倍数,n1+n2就依然满足除以3余2。同理,如果n3也是3的倍数,那么n1+n2+n3的和就满足除以3余2。这是从n1的角度考虑的,再从n2,n3的角度分析,我们可推导出以下三点:
1. 为使n1+n2+n3的和满足除以3余2,n2和n3必须是3的倍数。
2. 为使n1+n2+n3的和满足除以5余3,n1和n3必须是5的倍数。
3. 为使n1+n2+n3的和满足除以7余2,n1和n2必须是7的倍数。
因此,为使n1+n2+n3的和作为“孙子问题”的一个最终解,需满足:
1. n1除以3余2,且是5和7的公倍数。
2. n2除以5余3,且是3和7的公倍数。
3. n3除以7余2,且是3和5的公倍数。
所以,孙子问题解法的本质是从5和7的公倍数中找一个除以3余2的数n1,从3和7的公倍数中找一个除以5余3的数n2,从3和5的公倍数中找一个除以7 余2的数n3,再将三个数相加得到解。(在求n1,n2,n3时有一个小技巧,以n1为例,并非从5和7的公倍数中直接找一个除以3余2的数,而是先找一个除以3余1的数,再乘以2。)
这里又有一个数学公式,如果a%b=c,那么(a*k)%b=a%b+a%b+…+a%b=c+c+…+c=kc(k>0),也就是说,如果一个除法的余数为c,那么被除数的k倍与除数相除的余数为kc。如展开式中的证明。
最后,我们还要注意,n1+n2+n3只是问题的一个解,并不是最小的解。如何得到最小解?我们只需要从中最大限度的减掉掉3,5,7的公倍数105 即可。道理就是前面讲过的定理“如果a%b=c,则有(a-kb)%b=c”。所以(n1+n2+n3)%105就是最终的最小解。
以上只是对求孙子问题的简单分析过程,那么如果给出的不仅仅是三组呢?而是10组,20组或者更多呢?下面我们就中国剩余定理进行深入分析,探寻一种解法。
设有n组数据,每组数据的除数为P[i],余数为R[i](1<=i<=n),根据上面对孙子问题的分析,我们知道,首先我们要在P[2],P[3],……,P[n]的公倍数中找到一个除以P[1]余R[1]的数num[1],在P[1],P[3],……,P[n]的公倍数中找到一个除以P[2]余R[2]的数num[2],……,在P[1],P[2],……,P[n-1]的公倍数中找到一个除以P[n]余R[n]的数num[n],然后将num[1],num[2],num[3],……,num[n]累加求和sum,最后用sum对P[1],P[2],……,P[n]的最小公倍数求余,得到的数即是符合条件的最小整数。
注意:孙子问题分析时是求出所有数的和在取余,当组数少时,这是没问题的,但是当组数太多时和必然也多,这里我们可以利用公式(a+b)%c=(a%c+b%c)%c就可将程序优化
程序算法的解法代码:
代码如下:
可运行代码:C/C++代码
#include<stdio.h> #include <iostream> using namespace std; //扩展欧几里得算法 int exgcd(int a,int b,int &x,int &y) { int d; if(b==0) { x=1;y=0; return a; } d=exgcd(b,a%b,y,x); y-=a/b*x; return d; } //中国剩余定理 ,r[]存放余数 ,prime[]存放两两互质的数 int Chinese_Remainder(int r[],int prime[],int len) { int i,d,x,y,m,n=1,sum=0; //计算所以除数的积n,也是所以除数的最小公倍数 for(i=0;i<len;i++) n*=prime[i]; //计算符合所以条件的数 for(i=0;i<len;i++) { m=n/prime[i];//计算除去本身的所以除数的积m d=exgcd(prime[i],m,x,y);//计算w[i]*x+m*y=gcd(w[i],m)的一个解y //累加整数解y的同并不断对n取余,其利用公式:(a+b)%c=(a%c+b%c)%c sum=(sum+y*m*r[i])%n; } return (n+sum%n)%n;//满足所以方程的最小解 } int main() { int n,i; int prime[15],r[15]; while (printf("请输入组数n:\n"),scanf("%d",&n)!=EOF) { printf("请依次输入每组的除数和余数:\n"); for (i=0;i<n;i++) { scanf("%d%d",&prime[i],&r[i]); } //printf("%d\n",Chinese_Remainder(b,w,n)); printf("符合条件的最小整数:%d\n\n",Chinese_Remainder(r,prime,n)); } return 0; }
int Chinese_Remainder(int r[],int prime[],int len) { int i,d,x,y,m,n=1,sum=0; for(i=0;i<len;i++) n*=prime[i]; for(i=0;i<len;i++) { m=n/prime[i]; d=exgcd(prime[i],m,x,y); sum=(sum+y*m*r[i])%n; } return (n+sum%n)%n; }
原文:http://blog.csdn.net/yanghuaqings/article/details/38415161