中国剩余定理的几点应用

2002年第6期          中学数学

45

中国剩余定理的几点应用

223001 江苏省淮阴工学院经济管理系 张积羽430062 湖北大学数学系 刘合国

  中国剩余定理在代数学里起着重要的作用, 它是我们祖先智慧的结晶. 这个定理现在已被表述成极为一般的形式, 这里我们采用多项式的语言来叙述它, 但所使用的方法具有一般性. 在高等代数里, 中国剩余定理和可以由它导出的L agrange .

例1 设1, p ) , (x . 证明对每个1≤i ≤n , 存在多项式f i (x ) , 使得

f i (x ) ≡1 (m od p i (x ) )

f i (x ) ≡0 (m od p j (x ) ) , 这里j ≠i .

+f n (x ) g n (x ) , 作如下的辗转相除:

n

F (x ) =q (x )

∏p

i =1

i

(x ) +f (x ) ,

其中f (x ) 的次数

n

(

∑m

i =1

i

,

1≤i ≤n , 均有f (x ) ≡F (x ) ≡

∑f

i =1

i

(x ) g i (x ) ≡f i (x )  (m od p i (x ) ) .

假设g (x ) 也适合f (x ) 所满足的条件, 那么易证对每个1≤i ≤n , 都有p i (x ) f (x ) -g (x ) , 注意到p 1(x ) , p 2(x ) , …, p n (x ) 是两两

n

证明 因p 1(x ) 、p 2(x ) 、…、p n (x ) 是两两互素的, 故当j ≠i 时, (p j (x ) , p i (x ) ) =1, 于是(∏p j (x ) , p i (x ) ) =1, 从而存在多项式

j ≠i

互素的, 可得∏p i (x ) f (x ) -g (x ) , 又

i =1

n

f (x ) -g (x ) 的次数小于

∏p

i =1

i

(x ) 的次数, 必

u i (x ) 、v i (x ) , 使

u i (x )

须f (x ) -g (x ) =0, 即g (x ) =f (x ) .

例3 证明L agrange 插值公式:设a 1, a 2, …, a n 是数域上n 个不同的数, 则对任意n 个数b 1, b 2, …, b n , 存在唯一的次数小于n 的多项

n

j ≠i

p j (x ) +v i (x ) p i (x ) =1,

现令f i (x ) =u i (x ) ∏p j (x ) 即可.

j ≠i

例2 证明中国剩余定理:设p 1(x ) ,

p 2(x ) , …, p n (x ) 是某个数域上两两互素的多

式   L (x ) =

∑∏

b i

i =1

j ≠i

a i -a j

项式, 其次数依次为m 1, m 2, …, m n . 证明对任意n 个多项式f 1(x ) , f 2(x ) , …, f n (x ) , 存在唯一的次数小于m 1+m 2+…+m n 的多项式

f (x ) , 使得对每个1≤i ≤n , 均有

f (x ) ≡f i (x )  (m od p i (x ) ) .

适合条件L (a i ) =b i , 其中1≤i ≤n .

证明 取多项式p 1(x ) =x -a 1, p 2(x ) =x -a 2, …, p n (x ) =x -a n , 它们是两两互

素的. 对下面的同余式

f (x ) ≡b i  (m od p i (x ) )  (1≤i ≤n )

证明 由例1知对每个1≤i ≤n , 存在多项式g i (x ) , 使得

g i (x ) ≡1 (m od p i (x ) )

g i (x ) ≡0 (m od p j (x ) ) , 当j ≠i 时.

运用中国剩余定理及其证明, 即可得知L (x ) 为所求.

例4 证明数域K 上的n 次多项式f (x ) 在K 里至多有n 个互异根.

证明 若f (x ) 在K 里有n +1个根a 1,

现记F (x ) =f 1(x ) g 1(x ) +f 2(x ) g 2(x ) +…

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中学数学          2002年第6期

n

a 2, …, a n +1, 即f (a 1) =f (a 2) =…=f (a n +1)

=0, 则据例3即知f (x ) ≡0, 这与f (x ) 的次

解 设f (x ) =p (x ) ∏(x -a i ) +

i =1

数5(f (x ) ) =n 矛盾, 因此结论成立.

例5 设f (x ) 除以x 2+1, x 2+2的余式分别为4x +4, 4x +8, 求f (x ) 除以(x 2+1) (x 2+2) 的余式.

r (x ) , 其中r (x ) 的次数小于n . 由条件知对

1≤i ≤n , 均有r (a i ) =f (a i ) =a i , 故由L agrange 插值公式知r (x ) =x .

例8 设f (x ) 被x -1, x -2, x -3除后, 所得的余式分别4, 8, 16, 求f (x ) 被(x -1) (x -2) (x -3) 除后的余式.

解 由条件可得

2

f (x ) ≡4x +4 (m od x +1) 2

f (x ) ≡4x +8 (m od x +2)

解 设f (x ) =p (x ) (x -1) (x -2) (x -3) r (x ) , r (3, 从

注意到x 2+1与x 2+2互素, 且(-1) (x 2+1) +1 (x 2+2) =1, 由例2及其证明

) f (1) =4,   r (2) =f (2) =8,   r (3) =f (3) =16,

由L agrange 插值公式直接得到r (x ) =+8 (1-2) (1-3)

+16 =

(3-1) (3-2) 例9 设f (x ) =a 0+4

(2-1) (2-3) 2x 2-2x +4.

a 1x +…+a n x

n

可得f (x ) ≡(4x +4) 1 (x 2) +  (4x +8) -2+  (m od (x (x 2) ,

因此f (x ) 除以x 2+1) (x 2+2) 的余式为 (4x +4) (x 2+2) -=4x -4x 2.

(4x +8) (x 2+1)

例6 求满足下列条件的多项式f (x ) :

232

x +1 f (x ) ,  x +x +1 f (x ) +1.

解 条件x 2+1 f (x ) ,

32

x +x +1 f (x ) +1可改写成2

f (x ) ≡0  (m od x +1)

是个n 次多项式. 证明对任意两两互异的数

x 0, x 1, …, x n , 总有m f (x i ) ≥

0≤i ≤n

n

i

,

f (x ) ≡-2

1 (m od x +x +1)

32

∑ w

i =0

注意到 (x 2+1, x 3+x 2+1) =1, 且(1-x -x ) (1+x ) +x (x +x +1) =1,

2

3

2

其中每个w i =

∏(x

j ≠i n

i

,  (0≤i ≤n ) . -x j )

(x i -x j )

-x j )

证明 由L agrange 插值公式知

f (x ) =

由例2可得f (x ) ≡0 x (x +x +1) +  (-1) (1-x -x ) (x +1)   (m od (x 2+1) (x 3+x 2+1) ) 即 f (x ) =p (x ) (x 2+1) (x 3+x 2+1) +

(x 2+1) (x 2+x -1) ,

2

2

32

i =0n i =0

f (x i )

j ≠i

=

∑w

n

i

f (x i )

∏(x

j ≠i

n

=a 0+a 1x +…+a n x n ,

其中p (x ) 是任意多项式.

例7 设K 是个数域, a 1, a 2, …, a n 是K 的n 个互异的元素, f (x ) ∈K [x ]适合条件:

f (x ) 除以x -n

比较等式里x 的系数, 得到∑w i f (x i ) =a n ,

i =0

n

n

因此 a n =

∑w i f (x i ) ≤

i =0

∑ w

i =0n

i

a i 得余数a i  (1≤i ≤n ) ,

f (x i ) , 于是m ax { f (x i ) }≥

0≤i ≤n

i

求f (x ) 除以∏(x -a i ) 所得的余式.

i =1

∑ w

i =0

例10 设f (x ) =a 0+a 1x +…+a n x n ,

2002年第6期          中学数学

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n

n

a n =1, x 0, x 1, …, x n 是任意整数, x 0

0≤i ≤n

∑ w i =

i =0

∑∏

i =0

j

n

2

n

x i -x j

i

j >i

x i -x j

j

证明 直接运用例9可得m ax { f (x i ) }≥

0≤i ≤n

n

   =

-1

∑∏x

i =0n

j

-x j

∏x

j >i

-x i

i

n

=(

∑ w

i =0

∑ w i )

i =0

,

   ≤∑

n

=,

i ! (n -i ) ! n !

其中w i =

∏x

j ≠i

i

, 于是-x j

因此 m ax { f (x i ) }≥n 0≤i ≤n 2

(收稿日期:20020329)

读刊

随笔

 李耀文

  文[1]一个命题:

设△A B C 的外接圆半径为R , 内切圆半径为r , 顶点A 、B 、C 到内心的距离分别为a 0、

2

b 0、c 0, 则 4R r =a 0b 0c 0.

今给出此命题所引伸出的一个“姊妹”命题:

命题 设△A B C 的外接圆半径为R , 旁切圆半径为r ′, 顶点A 、B 、C 到对应的旁心的

′′′2′′′

距离分别为a 0、b 0、c 0, 则 4R r ′=a 0b 0c 0.

证明 如图1,

∵ r ′=a ′0sin

=c ′0co s

把②代入①式, 得

r =a 0b 0c 0

3′

′′′

, 4R

2

4R r ′=a ′. 0b ′0c ′0

综合文[1]及上述性

质可总述成如下命题:

设I 是△A B C 的内心或旁心, r 是内切圆半径或对应的旁切圆半径, R 是外接圆半径, 则

4R r 2=IA IB IC .

图1

2

=b ′0co s ,

2

同时, 我们还不难得到关于三角形双圆半径的又一个命题:

2

3

∴ r ′=a ′0b ′0c ′0sin

2

co s

2

co s

2

设I 、I 0分别是△A B C 的内心和旁心, r 、

r 0分别是内切圆半径和对应的旁切圆半径, R

(b +c -a ) =R r ′(sin B +又 △=r ′2

sin C -sin A ) =2R 2sin A sin B sin C ,

∴ =,

2R sin B +sin C -sin A

又易证知, 在△A B C 中, 有

是外接圆半径, 则

R rr 0=

4

(IA IB IC ) (I 0A I 0B I 0C ) .

参考文献

sin B +sin C -sin A =4sin

2

sin

2

co s

1 丁遵标1关于三角形的双圆半径的两个命题1中

2

,

学数学, 2002, 1

2 梁绍鸿, 赵慈庚1初等数学复习及研究(平面几=2sin co s co s , 2R 222

何) 1北京:人民教育出版社, 1978, 5

∴ =sin co s co s ②(收稿日期:20020204) 4R 222

∴ 

2002年第6期          中学数学

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中国剩余定理的几点应用

223001 江苏省淮阴工学院经济管理系 张积羽430062 湖北大学数学系 刘合国

  中国剩余定理在代数学里起着重要的作用, 它是我们祖先智慧的结晶. 这个定理现在已被表述成极为一般的形式, 这里我们采用多项式的语言来叙述它, 但所使用的方法具有一般性. 在高等代数里, 中国剩余定理和可以由它导出的L agrange .

例1 设1, p ) , (x . 证明对每个1≤i ≤n , 存在多项式f i (x ) , 使得

f i (x ) ≡1 (m od p i (x ) )

f i (x ) ≡0 (m od p j (x ) ) , 这里j ≠i .

+f n (x ) g n (x ) , 作如下的辗转相除:

n

F (x ) =q (x )

∏p

i =1

i

(x ) +f (x ) ,

其中f (x ) 的次数

n

(

∑m

i =1

i

,

1≤i ≤n , 均有f (x ) ≡F (x ) ≡

∑f

i =1

i

(x ) g i (x ) ≡f i (x )  (m od p i (x ) ) .

假设g (x ) 也适合f (x ) 所满足的条件, 那么易证对每个1≤i ≤n , 都有p i (x ) f (x ) -g (x ) , 注意到p 1(x ) , p 2(x ) , …, p n (x ) 是两两

n

证明 因p 1(x ) 、p 2(x ) 、…、p n (x ) 是两两互素的, 故当j ≠i 时, (p j (x ) , p i (x ) ) =1, 于是(∏p j (x ) , p i (x ) ) =1, 从而存在多项式

j ≠i

互素的, 可得∏p i (x ) f (x ) -g (x ) , 又

i =1

n

f (x ) -g (x ) 的次数小于

∏p

i =1

i

(x ) 的次数, 必

u i (x ) 、v i (x ) , 使

u i (x )

须f (x ) -g (x ) =0, 即g (x ) =f (x ) .

例3 证明L agrange 插值公式:设a 1, a 2, …, a n 是数域上n 个不同的数, 则对任意n 个数b 1, b 2, …, b n , 存在唯一的次数小于n 的多项

n

j ≠i

p j (x ) +v i (x ) p i (x ) =1,

现令f i (x ) =u i (x ) ∏p j (x ) 即可.

j ≠i

例2 证明中国剩余定理:设p 1(x ) ,

p 2(x ) , …, p n (x ) 是某个数域上两两互素的多

式   L (x ) =

∑∏

b i

i =1

j ≠i

a i -a j

项式, 其次数依次为m 1, m 2, …, m n . 证明对任意n 个多项式f 1(x ) , f 2(x ) , …, f n (x ) , 存在唯一的次数小于m 1+m 2+…+m n 的多项式

f (x ) , 使得对每个1≤i ≤n , 均有

f (x ) ≡f i (x )  (m od p i (x ) ) .

适合条件L (a i ) =b i , 其中1≤i ≤n .

证明 取多项式p 1(x ) =x -a 1, p 2(x ) =x -a 2, …, p n (x ) =x -a n , 它们是两两互

素的. 对下面的同余式

f (x ) ≡b i  (m od p i (x ) )  (1≤i ≤n )

证明 由例1知对每个1≤i ≤n , 存在多项式g i (x ) , 使得

g i (x ) ≡1 (m od p i (x ) )

g i (x ) ≡0 (m od p j (x ) ) , 当j ≠i 时.

运用中国剩余定理及其证明, 即可得知L (x ) 为所求.

例4 证明数域K 上的n 次多项式f (x ) 在K 里至多有n 个互异根.

证明 若f (x ) 在K 里有n +1个根a 1,

现记F (x ) =f 1(x ) g 1(x ) +f 2(x ) g 2(x ) +…

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中学数学          2002年第6期

n

a 2, …, a n +1, 即f (a 1) =f (a 2) =…=f (a n +1)

=0, 则据例3即知f (x ) ≡0, 这与f (x ) 的次

解 设f (x ) =p (x ) ∏(x -a i ) +

i =1

数5(f (x ) ) =n 矛盾, 因此结论成立.

例5 设f (x ) 除以x 2+1, x 2+2的余式分别为4x +4, 4x +8, 求f (x ) 除以(x 2+1) (x 2+2) 的余式.

r (x ) , 其中r (x ) 的次数小于n . 由条件知对

1≤i ≤n , 均有r (a i ) =f (a i ) =a i , 故由L agrange 插值公式知r (x ) =x .

例8 设f (x ) 被x -1, x -2, x -3除后, 所得的余式分别4, 8, 16, 求f (x ) 被(x -1) (x -2) (x -3) 除后的余式.

解 由条件可得

2

f (x ) ≡4x +4 (m od x +1) 2

f (x ) ≡4x +8 (m od x +2)

解 设f (x ) =p (x ) (x -1) (x -2) (x -3) r (x ) , r (3, 从

注意到x 2+1与x 2+2互素, 且(-1) (x 2+1) +1 (x 2+2) =1, 由例2及其证明

) f (1) =4,   r (2) =f (2) =8,   r (3) =f (3) =16,

由L agrange 插值公式直接得到r (x ) =+8 (1-2) (1-3)

+16 =

(3-1) (3-2) 例9 设f (x ) =a 0+4

(2-1) (2-3) 2x 2-2x +4.

a 1x +…+a n x

n

可得f (x ) ≡(4x +4) 1 (x 2) +  (4x +8) -2+  (m od (x (x 2) ,

因此f (x ) 除以x 2+1) (x 2+2) 的余式为 (4x +4) (x 2+2) -=4x -4x 2.

(4x +8) (x 2+1)

例6 求满足下列条件的多项式f (x ) :

232

x +1 f (x ) ,  x +x +1 f (x ) +1.

解 条件x 2+1 f (x ) ,

32

x +x +1 f (x ) +1可改写成2

f (x ) ≡0  (m od x +1)

是个n 次多项式. 证明对任意两两互异的数

x 0, x 1, …, x n , 总有m f (x i ) ≥

0≤i ≤n

n

i

,

f (x ) ≡-2

1 (m od x +x +1)

32

∑ w

i =0

注意到 (x 2+1, x 3+x 2+1) =1, 且(1-x -x ) (1+x ) +x (x +x +1) =1,

2

3

2

其中每个w i =

∏(x

j ≠i n

i

,  (0≤i ≤n ) . -x j )

(x i -x j )

-x j )

证明 由L agrange 插值公式知

f (x ) =

由例2可得f (x ) ≡0 x (x +x +1) +  (-1) (1-x -x ) (x +1)   (m od (x 2+1) (x 3+x 2+1) ) 即 f (x ) =p (x ) (x 2+1) (x 3+x 2+1) +

(x 2+1) (x 2+x -1) ,

2

2

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i =0n i =0

f (x i )

j ≠i

=

∑w

n

i

f (x i )

∏(x

j ≠i

n

=a 0+a 1x +…+a n x n ,

其中p (x ) 是任意多项式.

例7 设K 是个数域, a 1, a 2, …, a n 是K 的n 个互异的元素, f (x ) ∈K [x ]适合条件:

f (x ) 除以x -n

比较等式里x 的系数, 得到∑w i f (x i ) =a n ,

i =0

n

n

因此 a n =

∑w i f (x i ) ≤

i =0

∑ w

i =0n

i

a i 得余数a i  (1≤i ≤n ) ,

f (x i ) , 于是m ax { f (x i ) }≥

0≤i ≤n

i

求f (x ) 除以∏(x -a i ) 所得的余式.

i =1

∑ w

i =0

例10 设f (x ) =a 0+a 1x +…+a n x n ,

2002年第6期          中学数学

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n

a n =1, x 0, x 1, …, x n 是任意整数, x 0

0≤i ≤n

∑ w i =

i =0

∑∏

i =0

j

n

2

n

x i -x j

i

j >i

x i -x j

j

证明 直接运用例9可得m ax { f (x i ) }≥

0≤i ≤n

n

   =

-1

∑∏x

i =0n

j

-x j

∏x

j >i

-x i

i

n

=(

∑ w

i =0

∑ w i )

i =0

,

   ≤∑

n

=,

i ! (n -i ) ! n !

其中w i =

∏x

j ≠i

i

, 于是-x j

因此 m ax { f (x i ) }≥n 0≤i ≤n 2

(收稿日期:20020329)

读刊

随笔

 李耀文

  文[1]一个命题:

设△A B C 的外接圆半径为R , 内切圆半径为r , 顶点A 、B 、C 到内心的距离分别为a 0、

2

b 0、c 0, 则 4R r =a 0b 0c 0.

今给出此命题所引伸出的一个“姊妹”命题:

命题 设△A B C 的外接圆半径为R , 旁切圆半径为r ′, 顶点A 、B 、C 到对应的旁心的

′′′2′′′

距离分别为a 0、b 0、c 0, 则 4R r ′=a 0b 0c 0.

证明 如图1,

∵ r ′=a ′0sin

=c ′0co s

把②代入①式, 得

r =a 0b 0c 0

3′

′′′

, 4R

2

4R r ′=a ′. 0b ′0c ′0

综合文[1]及上述性

质可总述成如下命题:

设I 是△A B C 的内心或旁心, r 是内切圆半径或对应的旁切圆半径, R 是外接圆半径, 则

4R r 2=IA IB IC .

图1

2

=b ′0co s ,

2

同时, 我们还不难得到关于三角形双圆半径的又一个命题:

2

3

∴ r ′=a ′0b ′0c ′0sin

2

co s

2

co s

2

设I 、I 0分别是△A B C 的内心和旁心, r 、

r 0分别是内切圆半径和对应的旁切圆半径, R

(b +c -a ) =R r ′(sin B +又 △=r ′2

sin C -sin A ) =2R 2sin A sin B sin C ,

∴ =,

2R sin B +sin C -sin A

又易证知, 在△A B C 中, 有

是外接圆半径, 则

R rr 0=

4

(IA IB IC ) (I 0A I 0B I 0C ) .

参考文献

sin B +sin C -sin A =4sin

2

sin

2

co s

1 丁遵标1关于三角形的双圆半径的两个命题1中

2

,

学数学, 2002, 1

2 梁绍鸿, 赵慈庚1初等数学复习及研究(平面几=2sin co s co s , 2R 222

何) 1北京:人民教育出版社, 1978, 5

∴ =sin co s co s ②(收稿日期:20020204) 4R 222

∴ 


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  • 美国奥数队总教练罗博深教授的[数学思维训练课]系列二来啦!
  • 美国奥数队总教练罗博深 再次为孩子打造了四门数学思维课! 帮助小学生提升数感 培养中学生创造性数学思维 心血之作,全新推出! 课程简介 美国奥数队总教练罗博深教授的<数学思维训练课>系列二来啦! 首次分级推出了小学和中学两个数学思维训练系列.<魔法算术>.<神奇数列&g ...