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线性同余方程组

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中国剩余定理 同余方程 数论 数学
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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?

上述问题便是一个具体线性同余方程组。所谓线性同余方程组,就是形如:

$$ \begin{cases} x \equiv a_{1} \pmod {m_{1}} \\ x \equiv a_{2} \pmod {m_{2}} \\ \vdots \\ x \equiv a_{n} \pmod {m_{n}} \end{cases} $$

的方程组。

中国剩余定理
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中国剩余定理是用于解决线性同余方程组的问题。 要使用中国剩余定理,必须得保证任意两个模数之间互质。

$$ x = \sum_{i = 1}^{n}a_iM_ib_i \\ $$

其中,$M_i = \prod_{j = 1(i \neq j)}^{n}m_j$, $b_i$为 $M_i$的逆元。

对于中国剩余定理,我们可以这样理解:

对于方程组中,第 $i$个方程,如果能构造出这样一个解 $x_i$,使得 $x_i \equiv a_i \pmod {m_i}$,而 $x_i \equiv 0 \pmod {m_j} (i \neq j)$,那么最终方程组的答案就是 $\sum_{i = 1}^{n} x_i$。

$$ M_i b_i \equiv 1 \pmod {m_i} $$$$ a_i M_i b_i \equiv a_i \pmod {m_i} $$

那么, $x_i = a_i M_i b_i$就是我们所需要构造的解了。

扩展中国剩余定理
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当线性同余方程组中,存在两个模数不互质的时候,就要用到扩展中国剩余定理。 我们可以用数学归纳法来证明(理解/构造)扩展中国剩余定理。

首先,对于第一个方程,$x_1 = a_1$显然是第一个方程的解。

$$ x_k = x_{k - 1} + tm $$$$ \gcd{\{m, m_k\}} \mid a_k - x_{k - 1} $$

时,同余方程有解。 整个过程就类似于两两个方程的解不断的合并,直到最后合并剩下最后一个解。

所以,当仅仅是判断方程组有没有解的情况,我们可以判断所有任意两个方程 $i, j$,判断是否满足 $\gcd{\{m_i, m_j\}} \mid a_i - a_j$。不满足时,整个方程组无解。