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      吃著熱狗就把數(shù)學(xué)整明白了?

       skysun000001 2021-11-23

      認(rèn)真閱讀下面的文章,并思考文末互動(dòng)提出的問題,嚴(yán)格按照 互動(dòng):你的答案 格式在評(píng)論區(qū)留言,就有機(jī)會(huì)獲得由機(jī)械工業(yè)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《給孩子的全景百科 社會(huì)篇》一本。

      中國剩余定理是關(guān)于最小公倍數(shù)的一個(gè)古老而強(qiáng)大的擴(kuò)展。

      圖片

      如果你曾經(jīng)為了戶外燒烤而買過熱狗,你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己正在解一道涉及最小公倍數(shù)的數(shù)學(xué)題。這里涉及的問題是:為什么通常一袋熱狗有 10 根,而一袋面包卻只有 8 塊?這使得我們需要用數(shù)學(xué)的方法搭配熱狗和面包的數(shù)量。

      一個(gè)簡單的解決辦法是買 8 袋熱狗和 10 袋面包,但誰會(huì)需要 80 根熱狗呢? 那么,你能買更少的袋數(shù),仍然使熱狗和面包的數(shù)量相匹配嗎?

      讓我們列出通過購買不同袋數(shù)而獲得每種物品的數(shù)量。

      圖片

      每個(gè)列表上都有一個(gè) 40 ,因?yàn)?40 是 10 和 8 的最小公倍數(shù)(LCM)——它是能被這兩個(gè)數(shù)字整除的最小正整數(shù)。如果你買 4 袋熱狗和 5 袋面包, 40 根熱狗就會(huì)和 40 個(gè)面包完美搭配。

      但如果熱狗的包裝是一袋有 5 根(質(zhì)數(shù)數(shù)量),而且 40 個(gè)熱狗超過了你的需求,那該怎么辦?你還有比買 8 袋熱狗 5 袋面包更簡單的方法嗎?下圖是新的列表。

      圖片

      在這種情況下,熱狗和面包的數(shù)量達(dá)到 40 之前是不匹配的,因?yàn)?40 是 5 和 8 的最小公倍數(shù)。這是因?yàn)?5 和 8 “互質(zhì)”——它們的公因數(shù)只有 1 。當(dāng)兩個(gè)數(shù)互質(zhì)時(shí),最小公倍數(shù)就是它們的乘積。當(dāng)你開始列出8的倍數(shù)—— 8 × 1 , 8 × 2 , 8 × 3 , 8 × 4 , 8 × 5 ——你可以看到,除了 8 × 5 之外沒有其他 5 的倍數(shù)。

      但是,當(dāng)兩個(gè)數(shù)不是互質(zhì)整數(shù)時(shí),它們的公倍數(shù)有機(jī)會(huì)在達(dá)到兩者乘積之前匹配起來。

      在第一個(gè)例子中,10 和 8 不是互質(zhì)的,因?yàn)樗鼈兌加幸粋€(gè)因子—— 2 :
      10 = 2 × 5,
      8 = 2 × 4,
      因?yàn)?8 已經(jīng)能被 2 整除,所以你只需要找到一個(gè) 8 的倍數(shù),讓它能被 5 整除,這個(gè)數(shù)就能被 10 整除。這就是為什么最小公倍數(shù)為 8 × 5 = 40 ,而遠(yuǎn)未達(dá)到 8 × 10 = 80 。

      現(xiàn)在假設(shè)你去商店之前發(fā)現(xiàn)冰箱里剩了一根熱狗,那么你要再分別買多少袋熱狗和面包來搭配?

      這個(gè)新問題超越了簡單的最小公倍數(shù)問題,進(jìn)入了更為復(fù)雜的中國剩余定理領(lǐng)域。

      中國剩余定理最早是由中國數(shù)學(xué)家孫子在約2000年前提出的。中國剩余定理存在于一個(gè)叫做模算術(shù)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域,該領(lǐng)域通過分析數(shù)被其他數(shù)除后的余數(shù)來研究數(shù)學(xué),被用于從密碼學(xué)到天文學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。讓我們看看熱狗和最小公倍數(shù)如何幫助我們理解這個(gè)古老的算法。

      如果你冰箱里有一根熱狗,你可以在商店里買每袋 5 根的熱狗,下面列出了你可以帶出去野餐的熱狗數(shù)量:

      圖片

      因?yàn)闊峁返臄?shù)量總是 1 加上 5 的倍數(shù),所有這些數(shù)除以 5 的余數(shù)都是 1 。令 x 等于熱狗的數(shù)量,這個(gè)關(guān)系式可以寫成:

      x ≡ 1 mod 5.

      表述為“整數(shù) x 與 1 對(duì)模 5 同余”,意思是 x 除以 5 余數(shù)為 1 。你也可以說“ x 同余于 1 模 5 ”。

      因?yàn)槊姘臄?shù)量總是 8 的倍數(shù),所以除以 8 的余數(shù)總是 0 。如果 y 是熱狗面包的數(shù)量,這個(gè)關(guān)系式可以寫成:

      y ≡ 0 mod 8.

      我們想要熱狗的數(shù)量和面包的數(shù)量相等,所以要求 x = y ,為了找出什么時(shí)候成立,我們可以解出下面的方程組:

      x ≡ 1 mod 5
      x ≡ 0 mod 8

      在一個(gè)方程組中,解一個(gè)同余方程組的目標(biāo)是同時(shí)滿足所有的同余。

      我們想要找到一個(gè)數(shù) x ,當(dāng)它除以 5 時(shí)余數(shù)為 1 ,且當(dāng)它除以 8 時(shí)余數(shù)為 0 。如果能做到這一點(diǎn),我們的熱狗和面包就能完美搭配。

      中國剩余定理就是用來處理這類系統(tǒng)的。它告訴我們,只要兩個(gè)除數(shù)(也稱為模)是互質(zhì)數(shù),不管余數(shù)是多少,就有一個(gè)大于或等于零但小于模乘積的唯一解。(如果兩個(gè)模不是互質(zhì)的,則可能沒有答案。例如, x = 1 mod 6 和 x = 2 mod 8 的方程組沒有解,無論是小于 24 還是大于 24 。)因?yàn)?5 和 8 是互質(zhì)整數(shù),所以這個(gè)方程組應(yīng)該有一個(gè)小于 40 的唯一解。

      這個(gè)問題中的數(shù)字很小,所以我們可以通過列出熱狗和面包的可能數(shù)量來找到答案:

      圖片

      如你所見,兩個(gè)表上都有小于 40 的數(shù) 16 ,這便是方程組的解。我們可以很快地檢查, 16 除以 5 的余數(shù)是 1 、除以 8 的余數(shù)是 0 。(注意,如果你把 40 ,也就是 5 和 8 的最小公倍數(shù)加上 16 ,你得到的 56 便是下一個(gè)方程組的解。)

      中國剩余定理不僅保證了解的存在,而且還給出了求解的方法。該算法依賴于這樣一個(gè)事實(shí):如果兩個(gè)數(shù)互質(zhì),你總能找到它們的整數(shù)組合等于 1 。

      讓我們看看這如何應(yīng)用于另一個(gè)野餐問題。

      想象一下,除了一個(gè)吃剩的熱狗,你還有兩個(gè)吃剩的面包?,F(xiàn)在你要買多少包熱狗和面包才能匹配得上這些東西?

      為了回答這個(gè)問題,我們需要解出以下的同余方程組:

      x ≡ 1 mod 5
      x ≡ 2 mod 8

      為了找到由中國剩余定理確定的解,我們將使用這樣一個(gè)事實(shí):因?yàn)?5 和 8 是互質(zhì)數(shù),它們的某個(gè)線性組合為 1 。這句話的意思是,我們可以找到整數(shù) a 和 b ,使 5a 8b = 1 。你可以很容易地檢查 a = ?3 和 b = 2 是否滿足:

      5 × ( -3 )  8 × 2 = 1.

      為了找到我們的解,中國剩余定理的算法告訴我們,用5 × ( -3 ) 乘以面包的余數(shù) 2 ,用 8 × 2 乘以熱狗的余數(shù) 1 ,然后把結(jié)果相加:

      2 × 5 × ( -3 ) 1 × 8 × 2 = -14.

      就是說,我們最后可以吃到 ?14 個(gè)熱狗和 ?14 個(gè)面包來進(jìn)行匹配的熱狗面包,這聽起來像一個(gè)關(guān)于數(shù)學(xué)家計(jì)劃野餐的垃圾笑話的笑點(diǎn)。但其實(shí)我們真正的解就藏在這里。記住,我們知道 8 袋熱狗和 5 袋小面包的值都是 40 (就像我們之前的例子中 16 和 56 的解一樣),所以我們只需要把 40 加 ?14 得到 26 , 26 便是大于 0 小于 40 的唯一解,而這便是由中國剩余定理決定的。

      你可以看到, 26 個(gè)熱狗和 26 個(gè)面包解決了這個(gè)問題,如果你把每一個(gè)可能的數(shù)字列出來:

      圖片

      有一個(gè)簡單而巧妙的理由來解釋中國的余數(shù)定理為什么成立。要知道為什么,想想所有小于 5 和 8 最小公倍數(shù) 40 的 5 的倍數(shù):

      圖片

      這些倍數(shù)是 0 × 5 , 1 × 5 , 2 × 5 , 3 × 5 , … ,和 7 × 5 ,共有 8 個(gè)大于等于 0 但小于 40 的 5 的倍數(shù)。因?yàn)檫@些倍數(shù)都小于最小公倍數(shù) 40 ,所以當(dāng)它們被 8 整除時(shí),余數(shù)肯定是不同的;如果其中任意兩個(gè)數(shù)除以 8 的余數(shù)相同,那么它們的差就能被 8 整除,兩個(gè) 5 的倍數(shù)之差也是 5 的倍數(shù),于是這個(gè)差必然能被 5 和 8 同時(shí)整除,這樣就能被 40 整除。這是不可能的,因?yàn)樾∮?40 的兩個(gè) 5 的倍數(shù)不可能是 40 。

      看看這里所有不同的余數(shù):

      圖片

      因?yàn)?strong>除以 8 只有 8 個(gè)可能的余數(shù),所有可能的余數(shù)都會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)列表上。這意味著 5 在 40 以下的倍數(shù)包含了對(duì) 8 取余的所有可能的余數(shù)。換句話說,如果你冰箱里剩下的面包數(shù)量小于一袋,你就能做出少于 40 個(gè)熱狗。數(shù)學(xué)上用同余方程組表述:

      x ≡ 0 mod 5
      x ≡ a mod 8

      對(duì)于任意 a ,解總是小于 40 ,只要檢查一下上面的余數(shù)列表:對(duì)于 a = 1 ,解是 x = 25 ;對(duì)于 a = 2 ,解是 x = 10 ,以此類推。

      如果你一開始多一個(gè)熱狗呢? 每當(dāng)熱狗數(shù)增加 1 時(shí),余數(shù)增加 1 。但是因?yàn)樗械挠鄶?shù)同時(shí)被移動(dòng)了 1 ,所以所有 8 個(gè)可能的余數(shù)仍然可以被表示出來。

      注意,余數(shù)7向上移 1 等于 7 1 = 8 ,如果一個(gè)數(shù)除以 8 的余數(shù)是 8 ,那么它實(shí)際上是 8 的倍數(shù),所以余數(shù)實(shí)際上是 0 對(duì) 8 取余。

      這意味著同余方程組:

      x ≡ 1 mod 5
      x ≡ a mod 8

      也有一個(gè)小于 40 的解,對(duì)于 a = 1 ,解是 x = 1 ;對(duì)于 a = 2 ,解是 x = 26 ,以此類推。

      這個(gè)推理可以概括為:

      x ≡ b mod 5
      x ≡ a mod 8

      對(duì)于每一個(gè) a 和 b 都有一個(gè)小于 40 的解,并進(jìn)一步推廣以證明每個(gè)同余方程組的形式:

      x ≡ b mod m
      x ≡ a mod n

      只要 m 和 n 互質(zhì),就存在一個(gè)小于 m × n 的解。這是中國剩余定理最基本的內(nèi)容。

      這個(gè)定理和許多數(shù)論技巧一樣,在密碼學(xué)中很有用,密碼學(xué)是編碼和解碼秘密信息的數(shù)學(xué)。例如,你可以使用這個(gè)定理對(duì)一個(gè)數(shù)字加密,需要一組人共同合作來識(shí)別它。

      假設(shè)你有一個(gè)想要保密的數(shù)字,在你的朋友張三和李四一起同意他們想知道這個(gè)數(shù)字后才能解密。首先給他們分配一對(duì)互質(zhì)數(shù)——比如,張三和李四分別是 13 和 17 ——它們的乘積大于你的秘密數(shù)字?,F(xiàn)在用你的數(shù)字除以他們每個(gè)人的數(shù)字,給他們每個(gè)人各自的余數(shù)。他們各自都不會(huì)知道你的數(shù)字,但他們肯定能一起算出來,這要感謝中國剩余定理!

      假設(shè)你告訴張三的是 11 ,告訴李四的是 15 。這意味著張三知道你的數(shù) x 滿足 x ≡ 11 mod 13 ,李四知道 x 滿足 x ≡ 15 mod 17 。這兩個(gè)方程單獨(dú)都不足以確定你的密碼,但它們一起構(gòu)成了這個(gè)同余方程組:

      x ≡ 11 mod 13
      x ≡ 15 mod 17

      而中國剩余定理保證了該方程組有一個(gè)小于 13 × 17 = 221 的唯一解。張三和李四一起合作,就能算出你的號(hào)碼是 219 。

      你可能不需要中國剩余定理來計(jì)劃你的下一次野餐,但如果你需要在你的朋友之間分享信息或秘密地與你的將軍分享部隊(duì)數(shù)目,那你最好確保這個(gè)中國剩余定理在你的計(jì)劃當(dāng)中。

      練習(xí)

      1.  解釋為什么這個(gè)同余方程組沒有解:

      x ≡ 1 mod 4
      x ≡ 0 mod 6

      為什么這不違反中國剩余定理?

      答案

      只有奇數(shù)滿足 x ≡ 1 mod 4 ,只有偶數(shù)滿足 x ≡ 0 mod 6 ,所以這個(gè)同余方程組沒有解。這并不違反中國的余數(shù)定理,因?yàn)槟?4 和模 6 不是互質(zhì)數(shù)。


      2.  在解決熱狗問題的時(shí)候:

      x ≡ 1 mod 5
      x ≡ 2 mod 8

      我們利用 ( -3 ) × 5 2 × 8 = 1 的事實(shí)。13 × 5 ( -8 ) × 8 = 1 也是正確的。如果我們用這組 1 的整數(shù)組合會(huì)發(fā)生什么呢?

      答案

      使用該算法時(shí),我們將 13 × 5 乘以面包的余數(shù) 2 , ( -8 ) × 8 乘以熱狗的余數(shù) 1 ,得到 2 × 13 × 5 1 × ( -8 ) × 8 = 66 。同樣,我們可以用 40 個(gè)熱狗和面包來配對(duì),我們用 66 減去 40 得到 26 ,這是最初的解。


      3.  考慮這個(gè)同余方程組:

      x ≡ 1 mod 3
      x ≡ 2 mod 4

      求這個(gè)方程組的三個(gè)正解,這些解對(duì) 12 取余的余數(shù)都相等,它是什么?

      答案

      通過觀察,你會(huì)發(fā)現(xiàn) 10 是一個(gè)解。你也可以加上 3 和 4 的最小公倍數(shù),也就是12,得到其他的解,比如 22 、 34 ,等等。因此方程組的解:

      x ≡ 1 mod 3
      x ≡ 2 mod 4

      都滿足 x ≡ 10 mod 12 .


      4. 用練習(xí)3的結(jié)果來解這個(gè)同余方程組:

      x ≡ 1 mod 3
      x ≡ 2 mod 4
      x ≡ 3 mod 5

      答案

      如練習(xí)3所示,你可以把前兩個(gè)同余的式子結(jié)合起來得到 x ≡ 10 mod 12 ?,F(xiàn)在你可以解這個(gè)方程組了:

      x ≡ 3 mod 5
      x ≡ 10 mod 12

      注意到 5 × 5 ( -2 ) × 12 = 1 ,所以一個(gè)解是 10 × 5 × 5 3 × ( -2 ) × 12 = 178 。你也可以減去 60 ( 12 和 5 的最小公倍數(shù),以及 3 、 4 和 5 的最小公倍數(shù))來找到更小的解,比如 118 和 58 。這說明了如何將中國剩余定理推廣到包含兩個(gè)以上式子的同余方程組。





      作者:Patrick Honner

      翻譯:C&C

      審校:NKXXX 及 zhenni

      原文鏈接:

      https://www./the-secret-math-of-hot-dogs-and-buns-20211118/

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      《給孩子的全景百科社會(huì)篇》帶我們穿越時(shí)光,讓孩子從社會(huì)發(fā)展的歷史長河中獲取傳承的能量,創(chuàng)造屬于他們自己的時(shí)代。認(rèn)識(shí)世界才能更好地進(jìn)行思考和創(chuàng)新,才可能去改變世界,讓世界變得更美好。從史前文明到21世紀(jì),《給孩子的全景百科社會(huì)篇》正是為孩子搭建了一座通往未來的橋梁。

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