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POJ 1006 Biorhythms (中國剩餘定理)

大意:有中文翻譯

思路:中國剩餘定理的完美詮釋

中國剩餘定理介紹

     在《孫子算經》中有這樣一個問題:“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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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?

中國剩餘定理分析

     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匯出這個解法的。

     首先,我們假設n1是滿足除以3餘2的一個數,比如2,5,8等等,也就是滿足3*k+2(k>=0)的一個任意數。同樣,我們假設n2是滿足除以5餘3的一個數,n3是滿足除以7餘2的一個數。

     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?

     這就牽涉到一個最基本數學定理,如果有a%b=c,則有(a+kb)%b=c(k為非零整數),換句話說,如果一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,我們可推匯出以下三點:

  1. 為使n1+n2+n3的和滿足除以3餘2,n2和n3必須是3的倍數。
  2. 為使n1+n2+n3的和滿足除以5餘3,n1和n3必須是5的倍數。
  3. 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”的一個最終解,需滿足:

  1. n1除以3餘2,且是5和7的公倍數。
  2. n2除以5餘3,且是3和7的公倍數。
  3. 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的公倍數中找一個除以3餘2的數n1,從3和7的公倍數中找一個除以5餘3的數n2,從3和5的公倍數中找一個除以7餘2的數n3,再將三個數相加得到解。在求n1,n2,n3時又用了一個小技巧,以n1為例,並非從5和7的公倍數中直接找一個除以3餘2的數,而是先找一個除以3餘1的數,再乘以2。

    這裡又有一個數學公式,如果a%b=c,那麼(a*k)%b=a%b+a%b+…+a%b=c+c+…+c=kc(k>0),也就是說,如果一個除法的餘數為c,那麼被除數的k倍與除數相除的餘數為kc。展開式中已證明。

    最後,我們還要清楚一點,n1+n2+n3只是問題的一個解,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-kb)%b=c”。所以(n1+n2+n3)%105就是最終的最小解。

總結

經過分析發現,中國剩餘定理的孫子解法並沒有什麼高深的技巧,就是以下兩個基本數學定理的靈活運用:

  1. 如果 a%b=c , 則有 (a+kb)%b=c (k為非零整數)。
  2. 如果 a%b=c,那麼 (a*k)%b=kc (k為大於零的整數)。

POJ 1006 程式碼:

 1 # include <map>
 2 # include <queue>
 3 # include <stack>
 4 # include <math.h>
 5 # include <stdio.h>
 6 # include <string.h>
 7 # include <iostream>
 8 # include <algorithm>
 9 #define LL long long
10 using namespace std;
11 
12 void run()
13 {
14     int a, b, c, d, cnt = 0;
15     while(~scanf("%d%d%d%d", &a, &b, &c, &d))
16     {
17         cnt++;
18         if(a + b + c + d == -4)
19         break;
20         int Ans = (5544*a+14421*b+1288*c-d+21252)%21252;
21         if(!Ans)
22         Ans = 21252;
23         printf("Case %d: the next triple peak occurs in %d days.\n", cnt, Ans);
24     }
25 }
26 
27 int main(void)
28 {
29     run();
30 
31     return 0;
32 }
Biorhythms