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POJ–1006–Biorhythms【数论】

2018年04月24日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2278字 ⁄ 字号 评论关闭
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这是一道应用中国剩余定理的题目。

下面这段文字是网上找的,很多地方都有所以我也不清楚出自哪里。

中国剩余定理:

在《孙子算经》中有这样一个问题:“今有物不知其数,三三数之剩二(除以3余2),五五数之剩三(除以5余3),七七数之剩二(除以7余2),问物几何?”这个问题称为“孙子问题”,该问题的一般解法国际上称为“中国剩余定理”。具体解法分三步:

1. 找出三个数:从3和5的公倍数中找出被7除余1的最小数15,从3和7的公倍数中找出被5除余1 的最小数21,最后从5和7的公倍数中找出除3余1的最小数70。
2. 用15乘以2(2为最终结果除以7的余数),用21乘以3(3为最终结果除以5的余数),同理,用70乘以2(2为最终结果除以3的余数),然后把三个乘积相加(15*2+21*3+70*2)得到和233。
3. 用233除以3,5,7三个数的最小公倍数105,得到余数23,即233%105=23。这个余数23就是符合条件的最小数。

就这么简单。我们在感叹神奇的同时不禁想知道古人是如何想到这个方法的,有什么基本的数学依据吗?

中国剩余定理分析:

我们将“孙子问题”拆分成几个简单的小问题,从零开始,试图揣测古人是如何推导出这个解法的。

首先,我们假设n1是满足除以3余2的一个数,比如2,5,8等等,也就是满足3*k+2(k>=0)的一个任意数。同样,我们假设n2是满足除以5余3的一个数,n3是满足除以7余2的一个数。

有了前面的假设,我们先从n1这个角度出发,已知n1满足除以3余2,能不能使得 n1+n2 的和仍然满足除以3余2?进而使得n1+n2+n3的和仍然满足除以3余2?

这就牵涉到一个最基本数学定理,如果有a%b=c,则有(a+kb)%b=c(k为非零整数),换句话说,如果一个除法运算的余数为c,那么被除数与k倍的除数相加(或相减)的和(差)再与除数相除,余数不变。这个是很好证明的。

以此定理为依据,如果n2是3的倍数,n1+n2就依然满足除以3余2。同理,如果n3也是3的倍数,那么n1+n2+n3的和就满足除以3余2。这是从n1的角度考虑的,再从n2,n3的角度出发,我们可推导出以下三点:

1. 为使n1+n2+n3的和满足除以3余2,n2和n3必须是3的倍数。
2. 为使n1+n2+n3的和满足除以5余3,n1和n3必须是5的倍数。
3. 为使n1+n2+n3的和满足除以7余2,n1和n2必须是7的倍数。

因此,为使n1+n2+n3的和作为“孙子问题”的一个最终解,需满足:

1. n1除以3余2,且是5和7的公倍数。
2. n2除以5余3,且是3和7的公倍数。
3. n3除以7余2,且是3和5的公倍数。

所以,孙子问题解法的本质是从5和7的公倍数中找一个除以3余2的数n1,从3和7的公倍数中找一个除以5余3的数n2,从3和5的公倍数中找一个除以7 余2的数n3,再将三个数相加得到解。在求n1,n2,n3时又用了一个小技巧,以n1为例,并非从5和7的公倍数中直接找一个除以3余2的数,而是先找一个除以3余1的数,再乘以2。

这里又有一个数学公式,如果a%b=c,那么(a*k)%b=a%b+a%b+…+a%b=c+c+…+c=kc(k>0),也就是说,如果一个除法的余数为c,那么被除数的k倍与除数相除的余数为kc。展开式中已证明。

最后,我们还要清楚一点,n1+n2+n3只是问题的一个解,并不是最小的解。如何得到最小解?我们只需要从中最大限度的减掉掉3,5,7的公倍数105 即可。道理就是前面讲过的定理“如果a%b=c,则有(a-kb)%b=c”。所以(n1+n2+n3)%105就是最终的最小解。

对于这道题,有(n1*p+n2*e+n3*i)%lcm(n1,n2,n3)=n+d;

lcm(23,28,33)=21252,而n1、n2、n3可以枚举得到,向上枚举必能得到最小解。

注意最后括号中再多加一个21252,因为如果p、e、i都是0,d非0的情况下会得到负值,需要21252减去它。

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <vector>
#include <set>
#include <queue>
#include <stack>
#include<stdlib.h>
#include<ctime>
#define PI acos(-1)
using namespace std;
int main()
{
    int p,e,i,d,k=1;
    int ii,a,b,c;
    for(ii=1;;ii++)
    {
        if((28*33*ii)%23==1)
        {
            a=ii*28*33;
            break;
        }
    }
    for(ii=1;;ii++)
    {
        if((23*33*ii)%28==1)
        {
            b=ii*23*33;
            break;
        }
    }
    for(ii=1;;ii++)
    {
        if((23*28*ii)%33==1)
        {
            c=ii*23*28;
            break;
        }
    }
    while(scanf("%d%d%d%d",&p,&e,&i,&d)!=EOF)
    {
        if(p==-1&&e==-1&&i==-1&&d==-1)  break;
        int n;
        n=(a*p+b*e+c*i-d+21252)%21252;
        if(!n)  n=21252;
        printf("Case %d: the next triple peak occurs in %d days.\n",k++,n);
    }
    return 0;
}

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