浅谈我对(扩展)中国剩余定理Crt的理解

本文深入探讨了中国剩余定理的构造思想与扩展应用,详细解释了如何求解多个同余方程组,并讨论了当模数不互质时的解的存在性与通解形式。通过扩展欧几里得算法,提供了求解逆元的方法,实现了解的计算。

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我感觉中国剩余定理我并不能顺推出来,这是一个很巧妙的构造,这个构造思想值得学习,但是扩展的可以顺推。


问题:
有一xxx,满足:
x≡c1(mod m1)x≡c1(mod~m1)xc1(mod m1)
x≡c2(mod m2)x≡c2(mod~m2)xc2(mod m2)

x≡ck(mod mk)x≡ck(mod~mk)xck(mod mk)

∀i≠j,(mi,mj)=1∀i≠j,(mi,mj)=1i=j,(mi,mj)=1

xxx的通解形式。

M=∏mi,Mi=Mmi,ti=Mi−1(mod mi)M=\prod mi,Mi={M \over mi},ti=Mi^{-1}(mod~mi)M=mi,Mi=miM,ti=Mi1(mod mi)
x≡∑Mi∗ti∗ci(mod M)x≡\sum Mi*ti*ci(mod~M)xMitici(mod M)

这个怎么理解?

对一个确定的Mi∗tiMi*tiMiti,我们让它modmodmod一下mimimi,肯定等于1,mod mj(j≠i)mod~mj(j≠i)mod mj(j=i),肯定为0,类似于拉格朗日插值。


扩展中国剩余定理比中国剩余定理应用广的多,也很好写。

问题为:
x≡c1(mod m1)x≡c1(mod~m1)xc1(mod m1)
x≡c2(mod m2)x≡c2(mod~m2)xc2(mod m2)

m1,m2m1,m2m1,m2不一定互质,求是否有解?有解的话,通解形式是什么?

M=lcm(m1,m2)M=lcm(m1,m2)M=lcm(m1,m2),如果能够合并,那么显然是合并成:x≡c3(mod M)x ≡ c3 (mod~M)xc3(mod M)的形式。

t=gcd(m1,m2)t=gcd(m1, m2)t=gcd(m1,m2)

设:
c3=c1+a∗m1(0≤a<(M/m1=m2/t))c3=c1+a*m1(0 \le a < (M/m1=m2/t))c3=c1+am1(0a<(M/m1=m2/t))
c3=c2+b∗m2(0≤a<(M/m2=m1/t))c3=c2+b*m2(0 \le a < (M/m2=m1/t))c3=c2+bm2(0a<(M/m2=m1/t))

现在的目标是求出aaa或者bbb,这样就可以求出c3c3c3了。

联立得:
c1+a∗m1=c2+b∗m2c1+a*m1=c2+b*m2c1+am1=c2+bm2
c2−c1=a∗m1−b∗m2c2-c1=a*m1-b*m2c2c1=am1bm2

根据扩展欧几里得那一套,a∗m1−b∗m2a*m1-b*m2am1bm2只能表示ttt的倍数,所以t∣(c2−c1)t|(c2-c1)t(c2c1)才会有解。

方程两边同时除以ttt,得:
(c2−c1)/t=a∗m1/t−b∗m2/t(c2-c1)/t=a*m1/t-b*m2/t(c2c1)/t=am1/tbm2/t

假设求aaa,注意到0≤a<(M/m1=m2/t)0 \le a < (M/m1=m2/t)0a<(M/m1=m2/t),不放对整个方程mod (M/m1=m2/t)mod ~(M/m1=m2/t)mod (M/m1=m2/t)b∗m2/tb*m2/tbm2/t就没有了。

得:
(c2−c1)/t=a∗m1/t (mod m2/t)(c2-c1)/t=a*m1/t~(mod~{ m2/t})(c2c1)/t=am1/t (mod m2/t)
a=(inv(m1/t,m2/t)∗(c2−c1)/t  mod  (m2/t))a=(inv(m1/t,m2/t)*(c2-c1)/t~~mod~~(m2/t))a=(inv(m1/t,m2/t)(c2c1)/t  mod  (m2/t))

求逆元用exgcdexgcdexgcd,就可以得到aaa,进而得到c3c3c3

M≤1018M \le 10^{18}M1018时小心爆longlonglong longlonglong

#include<cstdio>
#define pp printf
#define ll long long
#define fo(i, x, y) for(int i = x; i <= y; i ++)
using namespace std;

const int N = 1e5 + 5;

int n;
ll m1, m2, c1, c2;

ll mul(ll x, ll y, ll mo) {
	x %= mo; y %= mo;
	ll z = (long double) x * y / mo;
	z = x * y - z * mo;
	if(z < 0) z += mo; else
	if(z > mo) z -= mo;
	return z;
}
ll gcd(ll x, ll y) {
	return !y ? x : gcd(y, x % y);
}
void eg(ll a, ll b, ll &x, ll &y) {
	if(!b) {x = a, y = 0; return;}
	eg(b, a % b, y, x); y = y - (a / b) * x;
}
ll inv(ll v, ll p) {
	ll x, y;
	eg(v, -p, x, y);
	x = (x % p + p) % p;
	return x;
}

int main() {
	scanf("%d", &n);
	c1 = 0, m1 = 1;
	fo(i, 1, n) {
		scanf("%lld %lld", &m2, &c2);
		ll t = gcd(m1, m2); ll m3 = m2 / t, M = m3 * m1;
		c1 = (mul(mul(inv(m1 / t, m3), (c2 - c1) / t, m3), m1, M) + c1) % M;
		m1 = M; if(c1 < 0) c1 += m1;
	}
	pp("%lld\n", c1);
}
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