中國剩餘定理學習

在《孫子算經》中有這樣乙個問題：「今有物不知其數，三三數之剩二（除以3餘2），五五數之剩三（除以5餘3），七七數之剩二（除以7餘2），問物幾何？」這個問題稱為「孫子問題」，該問題的一般解法國際上稱為「中國剩餘定理」。具體解法分三步：

找出三個數：從3和5的公倍數中找出被7除餘1的最小數15，從3和7的公倍數中找出被5除餘1 的最小數21，最後從5和7的公倍數中找出除3餘1的最小數70。

用15乘以2（2為最終結果除以7的餘數），用21乘以3（3為最終結果除以5的餘數），同理，用70乘以2（2為最終結果除以3的餘數），然後把三個乘積相加15∗2+21∗3+70∗2得到和233。

用233除以3，5，7三個數的最小公倍數105，得到餘數23，即233%105=23。這個餘數23就是符合條件的最小數。

就這麼簡單。我們在感嘆神奇的同時不禁想知道古人是如何想到這個方法的，有什麼基本的數學依據嗎？

我們將「孫子問題」拆分成幾個簡單的小問題，從零開始，試圖揣測古人是如何推導出這個解法的。

首先，我們假設n1是滿足除以3餘2的乙個數，比如2，5，8等等，也就是滿足3∗k+2（k>=0）的乙個任意數。同樣，我們假設n2是滿足除以5餘3的乙個數，n3是滿足除以7餘2的乙個數。

有了前面的假設，我們先從n1這個角度出發，已知n1滿足除以3餘2，能不能使得n1+n2的和仍然滿足除以3餘2？進而使得n1+n2+n3的和仍然滿足除以3餘2？

這就牽涉到乙個最基本數學定理，如果有a%b=c，則有(a+k∗b)%b=c(k為非零整數)，換句話說，如果乙個除法運算的餘數為c，那麼被除數與k倍的除數相加（或相減）的和（差）再與除數相除，餘數不變。這個是很好證明的。

以此定理為依據，如果n2是3的倍數，n1+n2就依然滿足除以3餘2。同理，如果n3也是3的倍數，那麼n1+n2+n3的和就滿足除以3餘2。這是從n1的角度考慮的，再從n2，n3的角度出發，我們可推導出以下三點：

為使n1+n2+n3的和滿足除以3餘2，n2和n3必須是3的倍數。

為使n1+n2+n3的和滿足除以5餘3，n1和n3必須是5的倍數。

為使n1+n2+n3的和滿足除以7餘2，n1和n2必須是7的倍數。

因此，為使n1+n2+n3的和作為「孫子問題」的乙個最終解，需滿足：

n1除以3餘2，且是5和7的公倍數。

n2除以5餘3，且是3和7的公倍數。

n3除以7餘2，且是3和5的公倍數。

所以，孫子問題解法的本質是從5和7的公倍數中找乙個除以3餘2的數n1，從3和7的公倍數中找乙個除以5餘3的數n2，從3和5的公倍數中找乙個除以7餘2的數n3，再將三個數相加得到解。在求n1，n2，n3時又用了乙個小技巧，以n1為例，並非從5和7的公倍數中直接找乙個除以3餘2的數，而是先找乙個除以3餘1的數，再乘以2。也就是先求出5和7的公倍數模3下的逆元，再用逆元去乘餘數。

這裡又有乙個數學公式，如果a%b=c，那麼(a∗k)%b=a%b+a%b+…+a%b=c+c+…+c=k∗c(k>0),也就是說，如果乙個除法的餘數為c，那麼被除數的k倍與除數相除的餘數為k∗c。展開式中已證明。

最後，我們還要清楚一點，n1+n2+n3只是問題的乙個解，並不是最小的解。如何得到最小解？我們只需要從中最大限度的減掉掉3，5，7的公倍數105即可。道理就是前面講過的定理「如果a%b=c，則有(a−k∗b)%b=c」。所以（n1+n2+n3）%105就是最終的最小解。

這樣一來就得到了中國剩餘定理的公式：

設正整數

有整數解。並且在模

其中普通的中國剩餘定理要求所有的互素，那麼如果不互素呢，怎麼求解同餘方程組？

這種情況就採用兩兩合併的思想，假設要合併如下兩個方程：

那麼得到：

我們需要求出乙個最小的x使它滿足：

那麼x1和x2就要盡可能的小，於是我們用擴充套件歐幾里得演算法求出x1的最小正整數解，將它代回a1+m1x1，得到x的乙個特解x′，當然也是最小正整數解。

所以x的通解一定是x′加上lcm(m1,m2)∗k，這樣才能保證x模m1和m2的餘數是a1和a2。由此，我們把這個x′當做新的方程的餘數，把lcm(m1,m2)當做新的方程的模數。（這一段是關鍵）

合併完成：

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中國剩餘定理學習筆記

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