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第 6 章:中国剩余定理与余数坐标 ​

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6.1 定理怎样合并多个同余条件 ​

设m_1,\ldots,m_k是两两互质的正整数,M=m_1\cdots m_k。中国剩余定理(CRT)说:给定任意余数a_1,\ldots,a_k,同余组

x\equiv a_i\pmod{m_i}\qquad(1\le i\le k)

有解,而且模M只有一个解。也就是说,答案可以有很多个整数代表,但它们都相差M的倍数。

“两两互质”是每一对不同模数的最大公约数都为1。它使各个同余要求之间没有共同因子造成的冲突,也保证完整周期是乘积M。

6.2 为什么存在:构造只影响一个坐标的项 ​

令M_i=M/m_i。由于模数两两互质,M_i与m_i互质,所以有逆元t_i满足M_it_i\equiv1\pmod{m_i}。

现在看E_i=M_it_i:它对m_i余1,对所有其他m_j余0,因为M_i含有m_j这个因子。于是

x=\sum_{i=1}^k a_iE_i

对m_j取模时,除第j项以外都消失,只留下a_j\cdot1。所以这个x同时满足全部要求。这不是单纯记一个求和公式,而是在构造“只负责一个余数条件”的项,再把它们相加。

6.3 为什么唯一,以及为什么可以使用两个坐标 ​

若x,y都满足全部同余,所有m_i都整除x-y。因为m_i两两互质,它们的乘积M也整除x-y,即x\equiv y\pmod M。这就证明模M的唯一性。

特别地,若p,q是不同质数,模n=pq的每个剩余类都唯一对应一对坐标:

x\bmod n\quad\longleftrightarrow\quad(x\bmod p,\ x\bmod q).

任意一对坐标都能合起来,合起来的类又只有一个,这就是双射。加法、乘法、取幂都可以在两个坐标分别进行,再合并结果。

例如模55的34对应(4,1),也就是模5为-1、模11为1。计算34^2时,两边分别平方都得到1,CRT就保证34^2\equiv1\pmod{55}。这个例子只用于展示坐标的含义;一般结论是上面的双射。

如果x与pq互质,两个坐标都非零;反过来,两坐标都非零也意味着x与pq互质。因此CRT还给出U_{pq}\longleftrightarrow U_p\times U_q。第9章会用它解释随机底数为什么产生独立坐标。

6.4 模数不互质时怎样修改 ​

对于x\equiv a\pmod m、x\equiv b\pmod n,若m,n不互质,两个要求可能冲突。正确的相容条件是

\gcd(m,n)\mid(b-a).

必要性很直接:x-a被m整除,x-b被n整除,所以二者都被最大公约数整除,相减得到b-a也必须被它整除。

充分性可由线性同余看出。令c=\gcd(m,n),先写x=a+mk,代入第二个条件得到mk\equiv b-a\pmod n。若c\mid(b-a),把整除关系中的三项都除以c,就得到模n/c的同余;m/c与n/c互质,可以用逆元解出k。解的周期是\operatorname{lcm}(m,n)=mn/c,这里\operatorname{lcm}表示最小公倍数。

多个模数的情形有解,当且仅当每一对余数满足对应的相容条件;最终周期是所有模数的最小公倍数。两两相容为什么足够,以及完整构造与唯一性证明,均放在第14章。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。