理论教育 我国数学史上的剩余定理探究

我国数学史上的剩余定理探究

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:19世纪的第一年,德国的高斯在算术探究一书中,才提出解决这类问题的方法——剩余定理,并给出了严格证明,被后人称为“高斯定理”。当时,德国著名数学家康托尔称赞秦九韶是“最幸运的天才”,秦九韶推广了“我国的剩余定理”,为我国和世界数学史增添了光彩。

我国数学史上的剩余定理探究

我国古代数学名著«孙子算经»载有一道数学问题:

“今有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?”这里的几何指多少的意思。

翻译成数学语言就是:求正整数N,使N除以3余2,除以5余3,除以7余2。

如何求符合上述条件的正整数N呢?

«孙子算经»给出了一个非常有效的巧妙解法。术曰:“三、三数之剩二,置一百四十;五、五数之剩三,置六十三;七、七数之剩二,置三十,并之,得二百三十三。以二百一十减之,即得。凡三、三数之剩一,则置七十;五、五数之剩一,则置二十一;七、七数之剩一,则置十五。一百六以上,一百五减之,即得。”

过了一千多年,到了16世纪,数学家程大位在他所著的«算法统宗»里把这个问题的解法用歌诀形式表述出来。

三人同行七十稀,

五树梅花廿一枝,

七子团圆正月半,

除百零五便得之。

歌诀的前三句给出了三组数,后一句给出了一个数:

370

521

715

105

三组数的共同特征是:

70除以3余1,除以5、7余0;

21除以5余1,除以3、7余0;

15除以7余1,除以3、5余0。(www.daowen.com)

首先程大位把不同的余数问题统一化为标准的余数问题。然后,他把复杂难解的问题化解为三个易解的问题。70、21、15分别是满足第一、二、三行条件的最小解。

2×70满足原题第一个余数条件,且被5、7整除。

3×21满足原题第二个余数条件,且被3、7整除。

2×15满足原题第三个余数条件,且被3、5整除。

统统相加得和

N=2×70+3×21+2×15=233。

N必然满足原题所有三个余数条件。但N不一定是最小的。歌诀最后一句“除百零五便得知”,这里“除”的意思是“减”,意即从233中减去3、5、7的最小公倍数105的倍数便得到23。这个23就是问题的最小解。这最后一句也可以理解为N除以105的余数就是问题的最小解。

我国古代数学有一个传统,总是以具体的数量关系表示一般的规律。把我国剩余定理译成数论术语就是:

设m1、m2、m3是两两互质的正整数,对任意给定的整数a1、a2、a3,必存在整数,满足

x≡a1(modm1),

x≡a2(modm2),

x≡a3(modm3)。

并且满足上列方程组的解x(modm1m2m3)是惟一的。

上面定理的表述是为方便或为忠于«孙子算经»,我们只写出含三个余数的情形,其实,这个定理对N个余数是通用的。

这个算法,给出了这类问题的非常简捷的一般解法。这个算法,具有非凡的数学思想,并对数论、代数产生了重要影响,我国称此算法为“孙子定理”,国际上称此为“我国剩余定理”。这是我国数学对世界数学最重要的贡献之一。我国剩余定理除本身的重要性之外,它还提示人们,要解决较复杂的问题,最好把它分解为几个易解的子问题;把问题各不相同的条件化成标准的条件,然后用标准的、统一的方法去处理。这是两种重要的数学思想。

南宋数学家秦九韶在他的«数书九章»中推广了“物不知数”问题,提出了计算“乘率”的方法——“大衍求一术”,使解决一次同余式问题的方法形成系统化的数学理论。

在西方,直到18世纪,瑞士的欧拉与法国的拉格朗日才对同余式问题进行系统的研究。19世纪的第一年,德国高斯在«算术探究»一书中,才提出解决这类问题的方法——剩余定理,并给出了严格证明,被后人称为“高斯定理”。1852年英国基督教士伟烈亚力在«字林西报»上发表了«我国科学的记述»,介绍«孙子算经»中的“物不知数”题,并第一次解释了“大衍求一术”,并指出它实质上和高斯定理是一致的。当时,德国著名数学家康托尔称赞秦九韶是“最幸运的天才”,秦九韶推广了“我国的剩余定理”,为我国和世界数学史增添了光彩。

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