中国剩余定理 poj1006

poj1006

问题描述
     人自出生起就有体力，情感和智力三个生理周期，分别为23，28和33天。一个周期内有一天为峰值，在这一天，人在对应的方面（体力，情感或智力）表现最好。通常这三个周期的峰值不会是同一天。现在给出三个日期，分别对应于体力，情感，智力出现峰值的日期。然后再给出一个起始日期，要求从这一天开始，算出最少再过多少天后三个峰值同时出现。
问题分析
      首先我们要知道，任意两个峰值之间一定相距整数倍的周期。假设一年的第N天达到峰值，则下次达到峰值的时间为N+Tk(T是周期，k是任意正整数)。所以，三个峰值同时出现的那一天(S)应满足
      S = N1 + T1*k1 = N2 + T2*k2 = N3 + T3*k3
N1,N2,N3分别为为体力，情感，智力出现峰值的日期， T1，T2,T3分别为体力，情感，智力周期。 我们需要求出k1,k2,k3三个非负整数使上面的等式成立。
     想直接求出k1,k2,k3貌似很难，但是我们的目的是求出S， 可以考虑从结果逆推。根据上面的等式，S满足三个要求：除以T1余数为N1，除以T2余数为N2，除以T3余数为N3。这样我们就把问题转化为求一个最小数，该数除以T1余N1，除以T2余N2,除以T3余N3。这就是著名的中国剩余定理，我们的老祖宗在几千年前已经对这个问题想出了一个精妙的解法。依据此解法的算法，时间复杂度可达到O(1)。下面就介绍一下中国剩余定理。
中国剩余定理介绍
     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：
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。
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。
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：
为使n1+n2+n3的和满足除以3余2，n2和n3必须是3的倍数。
为使n1+n2+n3的和满足除以5余3，n1和n3必须是5的倍数。
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：
n1除以3余2，且是5和7的公倍数。
n2除以5余3，且是3和7的公倍数。
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。

总结
   经过分析发现，中国剩余定理的孙子解法并没有什么高深的技巧，就是以下两个基本数学定理的灵活运用：
如果 a%b=c , 则有 (a+kb)%b=c (k为非零整数)。
如果 a%b=c，那么 (a*k)%b=kc (k为大于零的整数)。

poj1006:

要引入本题解法，先来看一个故事 “韩信点兵”：

      传说西汉大将韩信，由于比较年轻，开始他的部下对他不很佩服。有一次阅兵时，韩信要求士兵分三路纵队，结果末尾多2人，改成五路纵队，结果末尾多3人，再改成七路纵队，结果又余下2人，后来下级军官向他报告共有士兵2395人，韩信立即笑笑说不对（因2395除以3余数是1，不是2），由于已经知道士兵总人数在2300~2400之间，所以韩信根据23，128，233，------，每相邻两数的间隔是105（3、5、7的最小公倍数），便立即说出实际人数应是2333人（因2333=128+20χ105+105，它除以3余2，除以5余3，除以7余2）。这样使下级军官十分敬佩，这就是韩信点兵的故事。 

 

 韩信点兵问题简化：已知 n%3=2,  n%5=3,  n%7=2,  求n。 

  再看我们这道题：

读入p,e,i,d 4个整数

已知(n+d)%23=p;   (n+d)%28=e;   (n+d)%33=i ,求n 。 

 

两道题是一样的。但是韩信当时计算出结果的？ 

 韩信用的就是“中国剩余定理”，《孙子算经》中早有计算方法，大家可以查阅相关资料。 

“韩信点兵”问题计算如下： 

因为n%3=2, n%5=3, n%7=2 且 3，5，7互质 （互质可以直接得到这三个数的最小公倍数）

令x= n%3=2 ， y= n%5=3 ，z= n%7=2

      使5×7×a被3除余1，有35×2=70，即a=2； 

       使3×7×b被5除余1，用21×1=21，即b=1； 

       使3×5×c被7除余1，用15×1=15，即c=1。 

那么n =（70×x+21×y+15×z）%lcm(3,5,7) = 23 这是n的最小解

 而韩信已知士兵人数在2300~2400之间，所以只需要n+i×lcm(3,5,7)就得到了2333，此时i=22

同样，这道题的解法就是： 

已知(n+d)%23=p;   (n+d)%28=e;   (n+d)%33=i 

       使33×28×a被23除余1，用33×28×8=5544； 

       使23×33×b被28除余1，用23×33×19=14421； 

       使23×28×c被33除余1，用23×28×2=1288。 

      因此有（5544×p+14421×e+1288×i）% lcm(23,28,33) =n+d 

又23、28、33互质，即lcm(23,28,33)= 21252;

      所以有n=（5544×p+14421×e+1288×i-d）%21252

本题所求的是最小整数解，避免n为负，因此最后结果为n= [n+21252]% 21252

那么最终求解n的表达式就是：

n=(5544*p+14421*e+1288*i-d+21252)%21252;

//自己的代码实现

//中国剩余定理
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int qiu(int n,int a,int b)
{
int temp1=a;
int temp2=b;
while(temp2!=0){
int temp=temp1%temp2;
temp1=temp2;
temp2=temp;
}
int number=a*b/temp1;//a,b的最大公约数
for(int i=1;;i++){
if(number*i%n==1)
return number*i;
}
}
int main()
{
int p,e,i,d;
int n1=23,n2=28,n3=33;
int num1,num2,num3;
num1=qiu(n1,n2,n3);//n2和n3的一定倍数且%n1=1
num2=qiu(n2,n1,n3);
num3=qiu(n3,n1,n2);
int count=0;
int number=21252;//23,28,33的最小公倍数
while(scanf("%d%d%d%d",&p,&e,&i,&d)!=EOF){
if(p==-1&&e==-1&&i==-1&&d==-1)
break;
count++;
int result=(num1*p+num2*e+num3*i-d)%number;
if(result<=0)
result=result+number;
printf("Case %d: the next triple peak occurs in %d days.\n",count,result);
}
return 0;
}