我国数学古书《孙子算经》中的一道题

数学孙子算经 2023-05-04 16:12

我国数学古书《孙子算经》中有过这样的一道题: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?

这道古题与民间传说一则故事——“韩信点兵”中间题是一样的。

秦韩末年,楚汉相争。一次,韩信将1500名将士与楚王大将李峰交战。苦战一役后,伤亡四百余人,休整后,再战,楚军有不足五百骑追来,韩信点兵迎敌。他命令士兵三人一排,结果多2名;接着命令士兵5人一排,结果多出3名;他又命令士兵7人一排,结果又多出2名。韩信马上向士兵们宣布:我军有1073名勇士,敌人不足五百人,于是士气大振,应战不久,楚军大败而逃。

韩信是怎样神算出1073名士兵呢?不得而知,但后人作了大量研究梅花易数起卦数能整除,研究成果对数学做出了巨大贡献。

十六世纪,数学家程大位在他所著的《算法统宗》中用歌诀给出一种解法:

三人同行七十稀,五树梅花廿一枝,七子团圆正半月,除百零五便得知

歌诀的前三句给出了三组数,后一句给出了一个数:3,70;5,21;7,15;105,前三组数的共同特征是:70除以3余1,除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.

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2,7整除;

2×15满足原题第三个余数条件,且被3梅花易数起卦数能整除,5整除。

统统相加的和:N=2×70+3×21+2×15=233,N满足原题所有三个余数条件,但N 不是最小的。歌诀最后一句:“除百零五便得知”里的“除”的意思是“减”, 意即从233中减去3,5,7的公信数,即233-3 ×5×7×2=23,这个23就是问题的最小数。由于韩信点的兵在1000~1500之间,应该是105×10+

23=1073人。

真正从完整的计算程序和理论上解决这个问题的,是南宋时期的数学家秦九韶,秦九韶在他的《数书九章》中提出了一个数学方法“大衍求一术”,“大衍求一术”其计算程序核心问题是要“求一”。所谓“求一”,通俗地说就是求“一个数的多少倍除以另一个数,所得余数为一”。那么为什么要求“求一”呢?秦九韶在《数书九章》把它转化为一次同余式组,并形成了解决一次同余式组问题的系统化的数学理论。在西方,直到十九世纪初,德国数学家高斯在《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向欧洲介绍了《孙子算经》的“物不知数”和秦九韶的“大衍求一术”,并指出它实质上与高斯定理是一致的。从此,中国古代数学的这一创造逐渐受到世界学者的瞩目,并在西方数学史著作中正式被称为“中国剩余定理”,为我国和世界数学史增添了光彩。

把中国剩余定理译成数论术语就是:已知m1、、m2、m3是两两互质的正整数,求最小的正整数x,使它被m1、、m2、m3除所得余数分别为a1、a2、a3。则先分别找出被其中mi除余1而被另二数整除的数bi(i=1,2,3),再求数a1b1+a2b2+a3b3便是一个解,然后将上面得数减去m1、、m2、m3的整数倍(0,1,2…)即得最小正整数x。

上面定理的表述是为方便或忠于《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,下面举几例。

问题一:有一个数,除以3余2,除以4余1,问这个数除以12余几?

梅花易数起卦数能整除_什么数被11整除_数整除的特征例题

解:根据中国剩余定理,先找到被4整除,而被3除余1的数显然是4,再找到被3整除的,而被4除以1的数应该是9,由2×4+1×9=17,所以17是其中一个解,17÷12=1…5,因此这个数除以12余5。5是这个问题的最小解。

问题二:一个数被3除余1,被4除余2,被5除余4,这个数最小是几?

解:根据中国剩余定理,第一步“求一”,先找到除以3余1,而被4,5整除的整数,20不是,40满足,同样,找到除以4余1,而被3、5整除的整数,15、30不是,45满足;找到除以5余1,而被3、4整除的整数,12、24不是,36满足。

第二步,找到同时满足三个条件的整数,40×1+45×2+36×4=274,274同时满足三个条件,但不是最小的。第三步,从274中减去3、4、5的倍数,由3×4×5=60,因此从274中可以减去60的4倍,274-60×4=34,故这个数最小为34.

问题三:一个班分组做游戏,如果每组3人就多2人,每组5人就多3人,每组7人就多4人,问这个班有多少学生?

解:根据中国剩余定理,先 “求一”,得出一组数:70,21,15,再求得同时满足三个条件的一个解,70×2+21×3+15×4=263,最后,根据一个班人数实际情况,从263减去3、5、7的倍数得263-3×5×7×2=53,所以这个班有53名学生。

中国剩余定理除本身的重要性外,它还提示人们,要解决复杂的问题,最好把它分解为几个易解的子问题,把问题各个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,这是很重要的数学思想。

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