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什么是中国余数定理?

王朝干货·作者佚名  2011-12-16
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例题:

a.鲍伯和海伦经过公园时,他们瞧见“尼康高校”的乐队正在做队列练习。

b.乐队排成四列纵队前进,一个名叫斯皮罗的可怜的小乐手单独排在最末一排。乐队的指挥很令人讨厌。

c.让乐队改排成三列纵队前进,结果又剩斯皮罗自己排在最后排。

d.同样的,到乐队排成两列纵队前进时,斯皮罗仍旧自己一排。

e.虽然没海伦什么事,她还是向指挥凑去。

海伦:我提个建议怎么样?

指挥:不行,小姐。请让开,别打扰我。

f.海伦:别以为我愿意理你!我只是想告诉你让他们排成五列纵队正好。

指挥:讨厌,我正想要试试呢。

当乐队排成五列纵地位时,每一排满好并且斯皮罗也不再自己排在最后一排了。

那么这个乐队总共有多少队员?

其实海伦只不过数出了乐队的总人数,发现它是5的倍数而已。但你怎样才能在没到现场的情况下,确定其人数呢?

哈!诀窍在这儿呢。当乐队排2、3、4列纵队时,总是剩余一个人,即斯皮罗。显而易见,有这种特征的最小数是2、3、4的最小公倍数再加1。而因为最小公倍数是12,所以任何一个比12的倍数大1的数当被2、3、4整除时都余1。

当乐队排五列纵队前进时,一个人也不多余。因此,人数又一定是5的倍数。所以,这个问题的答案一定是下列一串数的倍数:13、25、37、49、61、73、85、97、109、121、133、145……

对于一个学校乐队来说,从145往上太庞大了,所以,尼康高校的乐队或者有85人,或者有25人。至于确定是二者中的哪一个,我们目前缺乏足够的证据。

这个问题有一个很好变形,即除了每次以2、3、4路纵队前进时,最后一排都少一个人外,其它与上题都一样,问现在乐队有多少人?这又要我们写出一串比12的倍数少1,又能被5整除的数,它们是:35、95、155……

美国的难题专家萨姆洛德先生出了下面一个与上题有关、但更难一点的题:在纽约一个帕特里克节日里,一大群爱尔兰人正准备一年一度的游行,指挥者试图把队伍排成10、9、8、7、6、5、4、3、和2路整齐的队伍前进,但每种情况下最后一排者都少一个人,因此人们认为这个位置大概是给几个月前刚死的卡茜的灵魂留着的。最后,指挥者无可奈何命令队伍排单列纵队前进。假设游行队伍的总人数不超过5000人,那么参加此次游行的共计有多少人?这是一道寻找一系列数字的最小公倍数的极好的练习。这种情形下的最小公倍数是2520,如果去掉“卡茜”所占的位置,最终答案是2519。

如果每一次分配后剩下的人数是各不相同的,则问题似乎都比较困难。其实不然。比如追溯到十七世纪,印度算术课本上有这样一道难题:一位挎着一篮鸡蛋的妇女被疾驰而过的马所惊,鸡蛋篮掉在了地上,篮子里的鸡蛋全碎了。当问及篮子里有多少蛋时,她只能记起当她以2、3、4、5为一组数鸡蛋的数目时,每次分别剩余1、2、3、4只鸡蛋。那么她篮子里原来盛有多少鸡蛋呢?

这题乍看确实比上题难得多。实际上,它与我们做过的第二题的第一部分一样,因为在每种情形下,余数都比除数少1,因此与前面一样,它可以通过寻找最小公倍数再减去1来解决。

当余数与除数没有固定关系时,问题就会真正变得变杂了。下面是一道以这类题为基础,借助计算器来进行的魔术,你将发现它是既有趣又迷惑人的。

魔术师背对观众坐在一张椅子上,让某位观众心中随意想定一个不超过1000的数,然后用7去除这个数并报出余数;然后再用11去除原来想定的数,然后再用13去除,并都报出余数。

为加快这一魔术的进行,这位观众用袖珍计算器算出三个余数。其实这借助下面算法很容易解决:先完成除法,去掉商的整数部分,再将剩下的分数部分乘以原来的除数,得出的结果即为要找的余数。

魔术师不仅仅知道三个余数,他之所以能猜算观众想的那个数字,缘由在于他也使用了袖珍计算器和贴在计算器上面小纸条上的公式:即:

K=(715a+364b+924c)/1001(其中K为要求的数)

在这个公式中,a、b、和c分别代表三个被报出来的余数,所求的数就是通过此公式计算出来的余数。

中國餘數定理(孫子定理)

我國古代著名的數學書孫子算經中,有這樣一道名題:「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?」俗稱「韓信點兵」。意指:「一個數除以3餘2,除以5餘3,除以7餘2,適合這條件的最小的數是多少?」

明朝數學家程大位著算法統宗(1593年)把這個題的解法總結為一首孫子歌訣:「三人同行七十稀,五樹梅花二十一枝,七子團圓整半月,除百零五便得知。」意即,先分別求出能被5和7整除,而被3除餘1的數(70),能被3和7整除而被5除餘1的數(21),能被3和5整除而被7除餘1的數(15)。然後用被3、5、7除所得的餘數(即2、3、2)分別去乘這三個數,再相加,也就是:

70×2 + 21×3 +15×2=233

最後從233中減去3、5、7的最小公倍數105的2倍得23,即為所求的數。

孫子算經中的方法被世界各國公認是中國人最先發現,故名為中國剩餘定理。又叫孫子定理。它的原理和一般解法這裏不作介紹,現在僅介紹這類問題的一個特殊解法---列舉法。它對這類問題中不太複雜的題,既簡便又易掌握。

還是先以上述孫子算經中的那道名題為例來說明如何用列舉法求解。

先列出除以3餘2的數:

2,5,8,11,14,17,20,23,26,……

再列出除以5餘3的數:

3,8,13,18,23,28,33,……

再列出除以7餘2的數:

2,9,16,23,30,……

由上面三列數知,第一個公有的數是23,顯然就是我們所求的數。

另一解法為:因除3、7兩數都餘2,故3、7的最小公倍數(21+2)除以3、7都會餘2,且23除以5餘3,因此23即為所求。

再看一個例子:

例1.一個數除以3餘2,除以5餘3,除以7餘4,求適合條件的最小正整數。

解:除以3餘2的數為:

2,5,8,11,14,17,…,50,53,56,…

除以5餘3的數為:

3,8,13,18,23,…,48,53,58,…

除以7餘4的數為:

4,11,18,25,32,39,46,53,60,…

顯然,上三列數中第一個公有的數是53,它就是適合題設條件的最小正整數。

由上兩例不難看出,用列舉法解這類問題的步驟是:(1)先列出各個,「被幾除餘幾」的數串;(2)這些數串中第一個公有的數就是所求數。但是,當問題稍微複雜時,就要寫出長的數(如例1),顯得繁雜。為了克服這個弱點,我們也可以在列舉法的前提下作一些簡化或變形。下面我們舉幾例說明。

除以3餘2的數為:

2,5,8,11,14,17,…

除以5餘3的數為:

3,8,13,18,23,…

顯然上列兩串數中第一個公有的數8,滿足「被3除餘2,且被5除餘3」。

因3和5的最小公倍數是15,所以,

15+8,30+8,45+8,60+8,……

都滿足「被3除餘2,且被5除餘3」。現在只需在這串數中找到被7除餘4的最小數53,即為所求。

小試身手:

1.有一個三位數除以5餘2,除以6餘4,除以7餘4,這樣的三位數中,最大的是幾?

2.有一個數,除以3餘2,除以7餘3,問這個數除以21餘幾?

3.某數除以3餘1,除以4餘2,除以5餘3,除以6餘4,求適合條件的最小正整數。

参考资料:http://w3.mcjhs.tp.edu.tw/math/t401/%A7%F5%AC%EE%C2E/%A4%A4%B0%EA%BEl%A6%A1%A9w%B2z.doc

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