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中国剩余定理

「物不知数」问题

有物不知其数，三三数之剩二，五五数之剩三，七七数之剩二。问物几何？

即求满足以下条件的整数：除以 3余 2，除以 5余 3，除以 7余 2。

该问题最早见于《孙子算经》中，并有该问题的具体解法。宋朝数学家秦九韶于 1247 年《数书九章》卷一、二《大衍类》对「物不知数」问题做出了完整系统的解答。上面具体问题的解答口诀由明朝数学家程大位在《算法统宗》中给出：

三人同行七十希，五树梅花廿一支，七子团圆正半月，除百零五便得知。

2\times 70+3\times 21+2\times 15=233=2\times 105+23，故答案为 23。

算法简介及过程

中国剩余定理 (Chinese Remainder Theorem, CRT) 可求解如下形式的一元线性同余方程组（其中 n_1, n_2, \cdots, n_k两两互质）：

\left \{ \begin{array}{ccc} x &\equiv& a_1 \pmod {n_1} \\ x &\equiv& a_2 \pmod {n_2} \\ &\vdots& \\ x &\equiv& a_n \pmod {n_k} \\ \end{array} \right.

上面的「物不知数」问题就是一元线性同余方程组的一个实例。

算法流程

  1. 计算所有模数的积 n；
  2. 对于第 i个方程：
    1. 计算 m_i=\frac{n}{n_i}；
    2. 计算 m_i在模 n_i意义下的逆元 m_i^{-1}；
    3. 计算 c_i=m_im_i^{-1}（ 不要对 n_i取模 ）。
  3. 方程组的唯一解为： a=\sum_{i=1}^k a_ic_i \pmod n。

伪代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 → n
0 → ans
for i = 1 to k
    n * n[i] → n
for i = 1 to k
    n / n[i] → m
    inv(m, n[i]) → b               // b * m mod n[i] = 1
    (ans + m * b) mod n → ans
return ans

算法的证明

我们需要证明上面算法计算所得的 a对于任意 i=1,2,\cdots,k满足 a\equiv a_i \pmod {n_i}。

当 i\neq j时，有 m_j\equiv 0 \pmod {n_i}，故 c_j\equiv m_j\equiv 0 \pmod {n_i}。又有 c_i\equiv m_i(m_i^{-1}\bmod {n_i})\equiv 1 \pmod {n_i}，所以我们有：

\begin{aligned} a&\equiv \sum_{j=1}^k a_jc_j &\pmod {n_i} \\ &\equiv a_ic_i &\pmod {n_i} \\ &\equiv a_im_i(m^{-1}_i \bmod n_i) &\pmod {n_i} \\ &\equiv a_i &\pmod {n_i} \end{aligned}

即对于任意 i=1,2,\cdots,k，上面算法得到的 a总是满足 a\equiv a_i \pmod{n_i}，即证明了解同余方程组的算法的正确性。

因为我们没有对输入的 a_i作特殊限制，所以任何一组输入 \{a_i\}都对应一个解 a。

另外，若 x\neq y，则总存在 i使得 x和 y在模 n_i下不同余。

故系数列表 \{a_i\}与解 a之间是一一映射关系，方程组总是有唯一解。

例

下面演示 CRT 如何解「物不知数」问题。

  1. n=3\times 5\times 7=105；
  2. 三人同行 七十 希： n_1=3, m_1=n/n_1=35, m_1^{-1}\equiv 2\pmod 3，故 c_1=35\times 2=70；
  3. 五树梅花 廿一 支： n_2=5, m_2=n/n_2=21, m_2^{-1}\equiv 1\pmod 5，故 c_2=21\times 1=21；
  4. 七子团圆正 半月 ： n_3=7, m_3=n/n_3=15, m_3^{-1}\equiv 1\pmod 7，故 c_3=15\times 1=15；
  5. 所以方程组的唯一解为 a\equiv 2\times 70+3\times 21+2\times 15\equiv 233\equiv 23 \pmod {105}。（除 百零五 便得知）

应用

某些计数问题或数论问题出于加长代码、增加难度、或者是一些其他不可告人的原因，给出的模数： 不是质数 ！

但是对其质因数分解会发现它没有平方因子，也就是该模数是由一些不重复的质数相乘得到。

那么我们可以分别对这些模数进行计算，最后用 CRT 合并答案。

推荐练习：BZOJ 1951

比较两 CRT 下整数

考虑 CRT, 不妨假设 n_1\leq n_2 \leq ... \leq n_k

\left\{ \begin{array} { r l } { x } & { \equiv a _ { 1 } \left( \bmod n _ { 1 } \right) } \\ { x } & { \equiv a _ { 2 } \left( \bmod n _ { 2 } \right) } \\ { } & { \vdots } \\ { x } & { \equiv a _ { n } \left( \bmod n _ { k } \right) } \end{array} \right.

与 PMR(Primorial Mixed Radix) 表示

x=b_1+b_2n_1+b_3n_1n_2...+b_kn_1n_2...n_{k-1} ,b_i\in [0,n_i)

将数字转化到 PMR 下，逐位比较即可

转化方法考虑依次对 PMR 取模

\begin{aligned} b_1&=a_1 \mod n_1\\ b_2&=(a_2-b_1)c_{1,2} \mod n_2\\ b_3&=((a_3-b_1')c_{1,3}-x_2')c_{2,3} \mod n_3\\ &...\\ b_k&=(...((a_k-b_1)c_{1,k}-b_2)c_{2,k})-...)c_{k-1,k} \mod n_k \end{aligned}

其中 c_{i,j}表示 n_i对 n_j的逆元， c_{i,j}n_i=1 \mod n_j

扩展：模数不互质的情况

两个方程

设两个方程分别是 x\equiv a_1 \pmod {m_1}、 x\equiv a_2 \pmod {m_2}；

将它们转化为不定方程： x=m_1p+a_1=m_2q+a_2，其中 p, q是整数，则有 m_1p-m_2q=a_2-a_1。

由裴蜀定理，当 a_2-a_1不能被 \gcd(m_1,m_2)整除时，无解；

其他情况下，可以通过扩展欧几里得算法解出来一组可行解 (p, q)；

则原来的两方程组成的模方程组的解为 x\equiv b\pmod M，其中 b=m_1p+a_1， M=\text{lcm}(m_1, m_2)。

多个方程

用上面的方法两两合并就可以了……

推荐练习：POJ 2891

【模板】扩展中国剩余定理

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