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【趣味数学题】大衍总数术(中国剩余定理)

2021-09-28 09:30 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

这道题来自秦九(公元1202年 - 1261年)《数书九章》(大衍类·卷二·分粜推原)。以下题解详解秦九韶的大衍求一术大衍总数术

秦九韶

【问题】

【原文】

问:有上农三人,力田所收之米,系用足斗均分,各往他处出粜,甲粜与本郡官场,余三斗二升。乙粜与安吉乡民,余七斗。丙粜与平江揽户,余三斗。欲知共米及三人所分各粜石数几何。

【今译】

问:有三位农民,耕田收获的稻米,用标准斗平均分配,各自去不同的地方卖米。甲在本郡的官方市场出售米后,剩下 3 斗 2 升。乙把米卖给安吉的村民后,剩下 7 斗。丙把米卖给平江的揽户后,剩下 3 斗。求解最初共收的米多少石,以及各位农民卖米的石数是多少石。

秦九韶给出的解法,每个市场都有不同的 “斛率”( 容量单位):官方市场的斛是 8 斗 3 升,安吉市场 1 石 1 斗,平江市场 1 石 3 斗 5 升。


因为 1 斗 = 10 升 和 1 石 = 10 斗 = 100 升,此问题的线性同余式组:

%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%20N%20%26%5Cequiv%2032%20%5Cpmod%7B83%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%2070%20%5Cpmod%7B110%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%2030%20%5Cpmod%7B135%7D%0A%5Cend%7Bcases%7D

求最小正整数解。

【题解】

一、求定数

此问题的模数(modulus)是m_1%20%3D%2083%2C%20m_2%20%3D%20110%2C%20m_3%20%3D%20135,秦九韶称之为“问数”。因为这些问数都是自然数,它们又被称为元数。问题的余数(remainder)是 r_1%20%3D%2032%2C%20r_2%20%3D%2070%2C%20r_3%20%3D%2030

%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%20N%20%26%5Cequiv%2032%20%5Cpmod%7B83%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%2070%20%5Cpmod%7B110%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%2030%20%5Cpmod%7B135%7D%0A%5Cend%7Bcases%7D

注意第二个和第三个问数不是互质(coprime)的,因为110和135都有公约数5。秦九韶使用 “连环求等” 来简约一些非互质问数。此问题简约第三个。新的问数“定数”m_%7B1%7D%5E%7B'%7D%20%3D%2083%2C%20m_%7B2%7D%5E%7B'%7D%20%3D%20110%2C%20m_%7B3%7D%5E%7B'%7D%20%3D%2027。因为 30%20%5Cequiv%203%20%5Cpmod%7B27%7D,第三个余数更新为 3。所以, r_%7B1%7D%5E%7B'%7D%20%3D%2032%2C%20r_%7B2%7D%5E%7B'%7D%20%3D%2070%2C%20r_%7B3%7D%5E%7B'%7D%20%3D%203


随后,新线性同余式组问题是:

%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%20N%20%26%5Cequiv%2032%20%5Cpmod%7B83%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%2070%20%5Cpmod%7B110%7D%20%5C%5C%0A%20N%20%26%5Cequiv%203%20%5Cpmod%7B27%7D%0A%5Cend%7Bcases%7D


二、求衍母和衍数

首先计算 “衍母” M衍母等于定数相乘。

M%20%3D%2083%20%5Ctimes%20110%20%5Ctimes%2027%20%3D%20246510

衍母除各定数衍数 M_i%20


M_1%20%3D%20%5Cfrac%7BM%7D%7Bm_%7B1%7D%5E%7B'%7D%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B246510%7D%7B83%7D%20%3D%202970

M_2%20%3D%20%5Cfrac%7BM%7D%7Bm_%7B2%7D%5E%7B'%7D%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B246510%7D%7B110%7D%20%3D%202241

M_3%20%3D%20%5Cfrac%7BM%7D%7Bm_%7B3%7D%5E%7B'%7D%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B246510%7D%7B27%7D%20%3D%209130


三、求乘率

奇数 K_i(此题有三个), 其中满足 M_i%20%5Cequiv%20K_i%20%5Cpmod%7Bm_%7Bi%7D%5E%7B'%7D%7D%20


2970%20%5Cequiv%2065%20%5Cpmod%7B83%7D%20%5CRightarrow%20K_1%20%3D%2065%20

2241%20%5Cequiv%2041%20%5Cpmod%7B110%7D%20%5CRightarrow%20K_2%20%3D%2041

9130%20%5Cequiv%204%20%5Cpmod%7B27%7D%20%5CRightarrow%20K_3%20%3D%204

秦九韶使用大衍求一术来解每个同余式 K_i%20x_i%20%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7Bm_%7Bi%7D%5E%7B'%7D%7D ,其中 x_i%20“乘率”


%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%2065%20x_1%20%26%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7B83%7D%20%5C%5C%0A%2041%20x_2%20%26%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7B110%7D%20%5C%5C%0A%204%20x_3%20%26%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7B135%7D%0A%5Cend%7Bcases%7D


这里解释如何用大衍求一术%2065%20x_1%20%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7B83%7D%20

步骤一:天元奇数定数


步骤二:大衍求一术天元推算成乘率


这道题的乘率x_1%20%3D%2023%2C%20x_2%20%3D%2051%2C%20x_3%20%3D%207%20

四、求用数和总数

“用数”M_i%20x_i%20

M_1%20x_1%20%3D%202970%20%5Ctimes%2023%20%3D%2068310%20

M_2%20x_2%20%3D%202241%20%5Ctimes%2051%20%3D%20114271

M_3%20x_3%20%3D%209131%20%5Ctimes%207%20%3D%2063910

“总数” 等于用数余数之和 %5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20M_i%20x_i%20r_%7Bi%7D%5E%7B'%7D%20

68310%20%5Ctimes%2032%20%2B%20114291%20%5Ctimes%2070%20%2B%2063910%20%5Ctimes%203%20%3D%2010378020%20


五、求最小正整数解


10378020%20%5Cequiv%2024600%20%5Cpmod%7B246510%7D%20

因此,每个农民卖的米总量为 24600 升或 246 石,总量为 738 石。


秦九韶给出的答案

【原文】

答曰:共米,七百三十八石。三人分米,各二百四十六石。

甲粜官斛,二百九十六石。

乙粜安吉斛,二百二十三石。

丙粜平江斛,一百八十二石。

【今译】

答:共米的总量是738石,由三人平分,即得每人246石。

利用官场的斛数,甲卖出296石。

利用安吉的斛数,乙卖出223石。

利用平江的斛数,丙卖出182石。




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