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第10章 中国剩余定理

古时候,我国有一部很重要的数学著作,叫《孙子算经》。书中的许多古算题,如“物不知数”问题、“鸡兔同笼”问题等等,都编得饶有情趣,1000多年来,一直在国内外广为流传。其中,尤以物不知数问题最为著名。

物不知数问题的大意是:“有一堆物体,不知道它的数目。如果每3个一数,最后会剩下2个;每5个一数,最后会剩3个;每7个一数,最后会剩下2个。求这堆物体的数目。”

这是一个不定方程问题,答案有无穷多组。按照现代解不定方程的一般步骤,解答起来是比较麻烦的。而若按照我国古代人民发明的一种算法,解答起来就简单得出奇。有人将这种奇妙的算法编成了一首歌谣:

三人同行七十稀,五树梅花廿一枝,

七子团圆正半月,除百零五便得知。

歌谣里隐含着70、21、15、105这4个数。只要记住这4个数,算出物不知数问题的答案就轻而易举了。尤其可贵的是,这种奇妙的算法具有普遍的意义,只要是同一类型的题目,都可以用这种方法去解答。

《孙子算经》最先详细介绍了这种奇妙的算法。书中说:凡是每3个一数最后剩下1个,就取70;每5个一数最后剩1个,就取21;每7个一数最后剩下1个,就取15.把它们加起来,如果得数比106大,就减去105.最后求出的数就是所有答案中最小的一个。

在物不知数问题里,每3个一数最后剩2,应该取2个70;每5个一数最后剩3,应该取3个21;每7个一数最后剩2,应该取2个15.由于2×70+3×21+2×15等于233,比106大,应该减去105;相减后得128,仍比106大,应该再减去105,得23.瞧,只需寥寥几步,我们就算出了题目的答案。

这种奇妙的算法有许多有趣的名称,如“鬼谷算”、“韩信大点兵”、“秦王暗点兵”等等,并被编成许多有趣的数学故事。它于12世纪末就流传到了欧洲国家。

可是,13世纪下半叶,我国数学家秦九韶遇到了一个与物不知数问题很相似的题目,却不能用这种奇妙的算法来解答。

秦九韶遇到的题目叫“余米推数”问题,在数学史上也很名。它有一种有趣的表述形式。

一天夜里,一群盗贼洗劫了一家米店,放在店堂里的3箩米几乎被席卷一空。第二天,官府派人勘查了现场,发现3个箩一样大,中间那个箩里还剩下14合米,而两边的箩里只剩下1合米了。

盗贼偷走了多少米呢?店主不记得每个萝里装了多少米,只记得它们装得一样多。

后来,行窃的3个盗贼都被抓住了。可是,他们也不知道偷了多少米。那天晚上,店堂里漆黑一团,盗贼甲摸到了一个马勺,用它从左边那个箩里舀米;盗贼乙摸到一个木鞋,用它从中间那个箩里舀米;盗贼丙摸到一个漆碗,用它从右边那个箩里舀米。盗贼们不记得舀了多少次,只记得每次都正好舀满,舀完最后一次后,箩里剩下的米都已不够再舀一次了。

在米店里,人们找到马勺、木鞋和漆碗,发现马勺一次能舀19合米,木鞋一次能舀17合米,而漆碗一次只能舀12合米。问米店共被窃走多少米,3个盗贼各盗窃了多少米?

为什么说余米推数问题与物不知数问题很相似呢?如果把米店被窃走的米数看作是一堆物体,这个题目实际上就是:

有一堆物体,不知道它的数目。如果每19个一数,最后剩下1个,每17个一数,最后剩14个,每12个一数,最后剩下1个。求这堆物体的数目。

秦九韶想,既然这两个题目很相似,那么,它们的解法也应该很相似。“鬼谷算”解答不了余米推数问题,说明它还不够完善,于是他深入探索了古代算法的奥秘,经过苦心钻研,终于在古代算法的基础上,创造出一种更普遍、更强有力的奇妙算法。

这种新算法也就是驰名世界的“大衍求一术”,它是我国古代数学里最有独创性的成就之一。国外直到19世纪,才由大数学家高斯发现同样的定理。因此,这个定理也就被人叫做“中国剩余定理”。

秦九韶也因此获得了不朽的声誉。西方著名数学史专家萨顿,对秦九韶创造性的工作给予了极高的评价,称赞秦九韶是“他的民族、他的时代以至一切时期的最伟大的数学家之一”。

数学怎样跌进“黑洞”

我们来作一个有趣的数字游戏:请你随手写出一个三位数(要求三位数字不完全相同),然后按照数字从大到小的顺序,把三位数字重新排列,得到一个新数。接下来,再把所得的数的数字顺序颠倒一下,又得到一个新数。把两个新数的差作为一个新的三位数,再重复上述的步骤。继续不停地重复下去,你会得到什么样的结果呢?

例如323,第一个新数是332,第二个新数是是233,它们的差是099(注意以0开头的数,也得看成是一个三位数);接下来,990-099=891;981-189=792;972-279=693;963-369=594;954-459=495;954-459=495;……

这种不断重复同一操作的过程,在计算机上被称为“迭代”。有趣的是,经过几次迭代之后,三位数最后都会停在495这个数上。

那么对于四位数,是不是也会出现这种情况呢?结果是肯定的,最后都会停在6174这个数上。它仿佛是数的“黑洞”,任何数字不完全相同的四位数,经过上述的“重排”和“求差”运算之后,都会跌进这个“黑洞”——6174,再也出不来了。

前苏联作家高基莫夫在其所著的《数学的敏感》一书中,曾把它列作“没有揭开的秘密”。

有时候,“黑洞”并不仅只有一个数,而是有好几个数,像走马灯一样兜圈子,又仿佛孙悟空跌进了如来佛的手掌心。

例如,对于五位数,已经发现了两个“圈”,它们分别是{63954,61974,82962,75933}与{62964,71973,83952,74943}。有兴趣的读者不妨自己验证一下。

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