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【趣味數(shù)學題】大衍總數(shù)術(shù)(中國剩余定理)

2021-09-28 09:30 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

鄭濤(Tao Steven Zheng)著

這道題來自秦九(公元1202年 - 1261年)《數(shù)書九章》(大衍類·卷二·分糶推原)。以下題解詳解秦九韶的大衍求一術(shù)大衍總數(shù)術(shù)

秦九韶

【問題】

【原文】

問:有上農(nóng)三人,力田所收之米,系用足斗均分,各往他處出糶,甲糶與本郡官場,余三斗二升。乙糶與安吉鄉(xiāng)民,余七斗。丙糶與平江攬戶,余三斗。欲知共米及三人所分各糶石數(shù)幾何。

【今譯】

問:有三位農(nóng)民,耕田收獲的稻米,用標準斗平均分配,各自去不同的地方賣米。甲在本郡的官方市場出售米后,剩下 3 斗 2 升。乙把米賣給安吉的村民后,剩下 7 斗。丙把米賣給平江的攬戶后,剩下 3 斗。求解最初共收的米多少石,以及各位農(nóng)民賣米的石數(shù)是多少石。

秦九韶給出的解法,每個市場都有不同的 “斛率”( 容量單位):官方市場的斛是 8 斗 3 升,安吉市場 1 石 1 斗,平江市場 1 石 3 斗 5 升。


因為 1 斗 = 10 升 和 1 石 = 10 斗 = 100 升,此問題的線性同余式組:

%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

求最小正整數(shù)解。

【題解】

一、求定數(shù)

此問題的模數(shù)(modulus)是m_1%20%3D%2083%2C%20m_2%20%3D%20110%2C%20m_3%20%3D%20135,秦九韶稱之為“問數(shù)”。因為這些問數(shù)都是自然數(shù),它們又被稱為元數(shù)。問題的余數(shù)(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

注意第二個和第三個問數(shù)不是互質(zhì)(coprime)的,因為110和135都有公約數(shù)5。秦九韶使用 “連環(huán)求等” 來簡約一些非互質(zhì)問數(shù)。此問題簡約第三個。新的問數(shù)“定數(shù)”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。因為 30%20%5Cequiv%203%20%5Cpmod%7B27%7D,第三個余數(shù)更新為 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。


隨后,新線性同余式組問題是:

%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、求衍母和衍數(shù)

首先計算 “衍母” M,衍母等于定數(shù)相乘。

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

衍母除各定數(shù)衍數(shù) 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

奇數(shù) K_i(此題有三個), 其中滿足 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術(shù)來解每個同余式 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


這里解釋如何用大衍求一術(shù)%2065%20x_1%20%5Cequiv%201%20%5Cpmod%7B83%7D%20

步驟一:天元、奇數(shù)、定數(shù)。


步驟二:大衍求一術(shù)天元推算成乘率。


這道題的乘率x_1%20%3D%2023%2C%20x_2%20%3D%2051%2C%20x_3%20%3D%207%20。

四、求用數(shù)和總數(shù)

“用數(shù)”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

“總數(shù)” 等于用數(shù)余數(shù)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、求最小正整數(shù)解


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

因此,每個農(nóng)民賣的米總量為 24600 升或 246 石,總量為 738 石。


秦九韶給出的答案

【原文】

答曰:共米,七百三十八石。三人分米,各二百四十六石。

甲糶官斛,二百九十六石。

乙糶安吉斛,二百二十三石。

丙糶平江斛,一百八十二石。

【今譯】

答:共米的總量是738石,由三人平分,即得每人246石。

利用官場的斛數(shù),甲賣出296石。

利用安吉的斛數(shù),乙賣出223石。

利用平江的斛數(shù),丙賣出182石。




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