关于孙子定理(中国剩余定理)及其证明

孙子定理的内容:

给出以下的一元线性同余方程组:

$(S):egin{cases}xequiv a_1pmod{m_1}\xequiv a_2pmod{m_2}\ldots\xequiv a_npmod{m_n}end{cases}$

假设整数$m_1,m_2,ldots ,m_n$两两互质,则对任意的整数:$a_1,a_2,ldots a_n$,方程组$(S)$有解,并且通解可以用如下方式构造得到:

设$M=m_1 imes m_2 imes ldots imes m_n=prod_{i=1}^n m_i$,并设$M_i=frac{M}{m_i},forall iin egin{Bmatrix}1,2,ldots nend{Bmatrix}$

设$t_i=M_i^{-1}$为$M_i$模$m_i$的数论倒数($t_i$为$M_i$模$m_i$意义下的逆元),即$M_it_iequiv 1pmod{m_i},forall iin egin{Bmatrix}1,2,ldots ,nend{Bmatrix}$.

方程组$(S)$的通解形式为$x=a_1t_1M_1+a_2t_2M_2+ldots a_nt_nM_n+kM=kM+sum_{i=1}^n a_it_iM_i,kin Z$.

在模$M$的意义下,方程组$(S)$只有一个解:$x=egin{pmatrix} sum_{i=1}^n a_it_iM_iend{pmatrix} pmod{M}$

证明:

 从假设可知,对任何$iin egin{Bmatrix}1,2,ldots ,nend{Bmatrix},j e i,gcd(m_i,m_j)=1$,所以$gcd(m_i,M_i)=1$.

这说明存在整数$t_i$使得$t_iM_iequiv 1pmod{m_i}$.这样的$y_i$叫做$M_i$模$m_i$的数论倒数。

考察乘积$a_it_iM_i$可知:

$$a_it_iM_iequiv a_i imes 1equiv a_ipmod{m_i}$$

$$forall jin egin{Bmatrix}1,2,ldots ,nend{Bmatrix},j e i,a_it_iM_iequiv 0pmod{m_j}$$

所以$x=a_1t_1M_1+a_2t_2M_2+ldots +a_nt_nM_n$满足:

$$forall iin egin{Bmatrix} 1,2,dots ,nend{Bmatrix},x=a_it_iM_i+sum_{j e i}a_jt_jM_jequiv a_i+sum_{j e i}0equiv a_ipmod{m_i}$$

这说明$x$就是方程组$(S)$的一个解。

另外,假设$x_1$和$x_2$都是方程组$(S)$的解,那么:

$$forall iin egin{Bmatrix}1,2,ldots ,nend{Bmatrix},x_1-x_2equiv 0pmod{m_i}$$

而$m_1,m_2,ldots m_n$两两互质,这说明$M=prod_{i=1}^n m_imid x_1-x_2$,所以方程组$(S)$的任何两个解之间必然相差$M$的整数倍。而另一方面,$x=a_1t_1M_1+a_2t_2M_2+ldots a_nt_nM_n$是一个解,同时所有格式为:

$$a_1t_1M_1+a_2t_2M_2+ldots a_nt_nM_n+kM=kM+sum_{i=1}^n a_it_iM_i,kin Z$$

的整数也是方程组$(S)$的解。所以方程组所有的解的集合就是:$egin{Bmatrix} kM+sum_{i=1}^n a_it_iM_i,kin Zend{Bmatrix}$. 

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