先说一个故事
说秦末,刘邦的将军韩信带领1500名士兵经历了一场战斗,战死四百余人。韩信为了清点人数让士兵站成三人一排,多出来两人;站成五人一排,多出来四人;站成七人一排,多出来六人。韩信立刻就知道了剩余人数为1049人。
这就是著名的韩信点兵的故事,化成数学模型就是:
韩信是为了计算的是士兵的人数,那么我们设这个人数为x。三人成排,五人成排,七人成排,即x mod 3, x mod 5, x mod 7。也就是说我们可以列出一组方程:
x mod 3 = 2
x mod 5 = 4
x mod 7 = 6
将这个方程组推广到一般形式:
给定了n组除数m[i]和余数r[i],通过这n组(m[i],r[i])求解一个x,使得x mod m[i] = r[i]
这就是
模线性方程组
一开始就直接求解多个方程不是太容易,我们从n=2开始递推:
已知:
x mod m[1] = r[1]
x mod m[2] = r[2]
根据这两个式子,我们存在两个整数k[1],k[2]:
x = m[1] * k[1] + r[1]
x = m[2] * k[2] + r[2]
由于两个值相等,因此我们有:
m[1] * k[1] + r[1] = m[2] * k[2] + r[2]
=> m[1] * k[1] - m[2] * k[2] = r[2] - r[1]
由于m[1],m[2],r[1],r[2]都是常数,若令A=m[1],B=m[2],C=r[2]-r[1],x=k[1],y=k[2],则上式变为:Ax + By = C。
这就转换成
扩展欧几里得算法。
1.可以先通过gcd(m[1], m[2])能否整除r[2]-r[1]来判定是否存在解。
2.假设存在解,则我们通过扩展欧几里德求解出k[1],k[2]。
3.再把k[1]代入x = m[1] * k[1] + r[1],就可以求解出x。
4.同时我们将这个x作为特解,可以扩展出一个解系:
X = x + k*lcm(m[1], m[2]) k为整数
lcm(a,b)表示a和b的最小公倍数。其求解公式为lcm(a,b)=a*b/gcd(a,b)。
将其改变形式为:
X mod lcm(m[1], m[2]) = x。
令M = lcm(m[1], m[2]), R = x,则有新的模方程X mod M = R。
此时,可以发现我们将x mod m[1] = r[1],x mod m[2] = r[2]合并为了一个式子X mod lcm(m[1], m[2]) = x。满足后者的X一定满足前两个式子。
每两个式子都可以通过该方法化简为一个式子。那么我们只要重复进行这个操作,就可以将n个方程组化简为一个方程,并且求出一个最后的解了。
最后代码就是
#include
#include
#define N 1010
#define ll long long int
using namespace std;
ll m[N], r[N];
int n;
ll x, y;
ll gcd(ll a, ll b){
if (a%b==0)
return b;
return gcd(b, a%b);
}
ll exgcd(ll a,ll b,ll &x,ll &y){
if(b==0){
x=1;
y=0;
return a;
}
int u=exgcd(b,a%b,x,y);
int temp=x;
x=y;
y=temp-(a/b)*y;
return u;
}
ll solve(){
ll M= m[0], R = r[0];
ll x,y;
for (int i = 1; i < n; i++){
ll d = gcd(M, m[i]);
ll c = r[i] - R;
if (c%d != 0){
return -1;
}
exgcd(M/d, m[i]/d,x,y); // 扩展欧几里德计算
x= (c/d*x)%(m[i]/d); // 扩展解系
R = R+x*M;
M= M/d*m[i]; // 求解lcm(M, m[i])
R%= M; // 求解合并后的新R,同时让R最小
}
if (R < 0){
R += M;
}
return R;
}
int main()
{
int i, j, k;
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i < n; i++){
scanf("%d %d", &m[i], &r[i]);
}
int end=solve();
printf("%d
",end);
return 0;
}