logo

שימוש במשפט השאריות הסינית לשילוב משוואות מודולריות

בהינתן N משוואות מודולריות: א ? x1mod(m1) . . א ? xנmod(mנ) מצא את x במשוואה א ? xmod(m123..*מנ) איפה מאֲנִיהוא ראשוני או חזקה של ראשוני ו-i לוקח ערכים מ-1 עד n. הקלט ניתן כשני מערכים כאשר הראשון הוא מערך המכיל ערכים של כל xאֲנִיוהמערך השני המכיל את קבוצת הערכים של כל ראשוני. מאֲנִיפלט מספר שלם עבור הערך של x במשוואה הסופית. 

דוגמאות: 

Consider the two equations A ? 2mod(3) A ? 3mod(5)   Input :   2 3 3 5   Output :    8 Consider the four equations A ? 3mod(4) A ? 4mod(7) A ? 1mod(9) (32) A ? 0mod(11)   Input :   3 4 1 0 4 7 9 11   Output :   1243

הסבר: אנו שואפים לפתור את המשוואות הללו שתיים בכל פעם. אנחנו לוקחים את שתי המשוואות הראשונות משלבים אותה ומשתמשים בתוצאה הזו כדי לשלב עם המשוואה השלישית וכן הלאה. התהליך של שילוב שתי משוואות מוסבר כדלקמן על ידי נטילת דוגמה 2 לעיון:



  1. א ? 3mod(4) ו-A ? 4mod(7) הן שתי המשוואות שסופקו לנו בהתחלה. תן למשוואה המתקבלת להיות כמה A? xmod(m1* מ2).
    • אניתן על ידי מ1'* מ1* x+ מ'* מ* x1איפה מ1' = הפוך מודולרי של m1מודול מומ' = הפוך מודולרי של mמודול מ1
    • אנו יכולים לחשב הפוך מודולרי באמצעות אלגוריתם אוקלידי מורחב.
    • אנו מוצאים את xלהיות אmod (מ1* מ2)
    • אנחנו מקבלים את המשוואה החדשה שלנו להיות A ? 11mod(28) כאשר A הוא 95
  2. כעת ננסה לשלב זאת עם משוואה 3 ובשיטת דומה נקבל את A ? 235mod(252) כאשר A = 2503
  3. ולבסוף בשילוב זה עם משוואה 4 נקבל A ? 1243mod(2772) כאשר A = 59455 ו-x = 1243

אנו רואים ש-2772 שווה בצדק ל-4*7*9*11. מצאנו אפוא את הערך של x עבור המשוואה הסופית. אתה יכול להתייחס אלגוריתם אוקלידי מורחב ו הפוך כפל מודולרי למידע נוסף בנושאים אלו. 

C++
// C++ program to combine modular equations // using Chinese Remainder Theorem #include   using namespace std; // function that implements Extended euclidean // algorithm vector<int> extended_euclidean(int aint b){  if(a == 0){  vector<int> temp;  temp.push_back(b);  temp.push_back(0);  temp.push_back(1);   return temp;  }  else{  vector<int> temp(3);  temp= extended_euclidean(b % a a);  int g = temp[0];  int y = temp[1];  int x = temp[2];  temp[0] = g;  temp[1] = x - ((b/a) * y);  temp[2] = y;  return temp;  }  vector<int> temp;  return temp; } // modular inverse driver function int modinv(int aint m){  vector<int> temp(3);  temp = extended_euclidean(a m);  int g = temp[0];  int x = temp[1];  int y = temp[2];    // Since we are taking the modulo of   // negative numbers so to have positive   // output of the modulo we use this formula.   int ans = x - (floor(x/(float)m) * m);  return ans; }   // function implementing Chinese remainder theorem // list m contains all the modulii // list x contains the remainders of the equations int crt(vector<int> &mvector<int> & x) {    // We run this loop while the list of  // remainders has length greater than 1  while(1)  {    // temp1 will contain the new value   // of A. which is calculated according   // to the equation m1' * m1 * x0 + m0'  // * m0 * x1  int var1 = (modinv(m[1]m[0]));  int var2 = (modinv(m[0]m[1]) );  // cout << var1 << ' ' << var2 << endl;  int temp1 = (modinv(m[1]m[0])) * x[0] * m[1] + (modinv(m[0]m[1]) )* x[1] * m[0];  // temp2 contains the value of the modulus  // in the new equation which will be the   // product of the modulii of the two  // equations that we are combining  int temp2 = m[0] * m[1];  // cout << temp1<< ' '<  // we then remove the first two elements  // from the list of remainders and replace  // it with the remainder value which will  // be temp1 % temp2  x.erase(x.begin());  x.erase(x.begin());  x.insert(x.begin() temp1%temp2);  //we then remove the first two values from  //the list of modulii as we no longer require  // them and simply replace them with the new   // modulii that we calculated  m.erase(m.begin());  m.erase(m.begin());  m.insert(m.begin() temp2);  // once the list has only one element left  // we can break as it will only contain   // the value of our final remainder  if(x.size()== 1){  break;  }  }    // returns the remainder of the final equation  return x[0]; } // driver segment int main(){  vector<int> m = {4 7 9 11};  vector<int> x = {3 4 1 0};  cout << crt(m x) << endl;  return 0; } // The code is contributed by Gautam goel (gautamgoe962) 
Java
// Java program to implement the Chinese Remainder Theorem import java.util.ArrayList; import java.math.BigInteger; public class ChineseRemainderTheorem {  // Function to calculate the modular inverse of a and m  public static BigInteger modinv(BigInteger a BigInteger m) {  BigInteger m0 = m;  BigInteger y = BigInteger.ZERO;  BigInteger x = BigInteger.ONE;  if (m.equals(BigInteger.ONE))  return BigInteger.ZERO;  while (a.compareTo(BigInteger.ONE) == 1) {  BigInteger q = a.divide(m);  BigInteger t = m;  m = a.mod(m);  a = t;  t = y;  y = x.subtract(q.multiply(y));  x = t;  }  if (x.compareTo(BigInteger.ZERO) == -1)  x = x.add(m0);  return x;  }  // Function to implement the Chinese Remainder Theorem  public static BigInteger crt(ArrayList<BigInteger> m ArrayList<BigInteger> x) {  BigInteger M = BigInteger.ONE;  for (int i = 0; i < m.size(); i++) {  M = M.multiply(m.get(i));  }  BigInteger result = BigInteger.ZERO;  for (int i = 0; i < m.size(); i++) {  BigInteger Mi = M.divide(m.get(i));  BigInteger MiInv = modinv(Mi m.get(i));  result = result.add(x.get(i).multiply(Mi).multiply(MiInv));  }  return result.mod(M);  }  public static void main(String[] args) {  ArrayList<BigInteger> m = new ArrayList<>();  ArrayList<BigInteger> x = new ArrayList<>();  m.add(BigInteger.valueOf(4));  m.add(BigInteger.valueOf(7));  m.add(BigInteger.valueOf(9));  m.add(BigInteger.valueOf(11));  x.add(BigInteger.valueOf(3));  x.add(BigInteger.valueOf(4));  x.add(BigInteger.valueOf(1));  x.add(BigInteger.valueOf(0));  System.out.println(crt(m x));  } } // This code is contributed by Vikram_Shirsat 
Python
# Python 2.x program to combine modular equations # using Chinese Remainder Theorem # function that implements Extended euclidean # algorithm def extended_euclidean(a b): if a == 0: return (b 0 1) else: g y x = extended_euclidean(b % a a) return (g x - (b // a) * y y) # modular inverse driver function def modinv(a m): g x y = extended_euclidean(a m) return x % m # function implementing Chinese remainder theorem # list m contains all the modulii # list x contains the remainders of the equations def crt(m x): # We run this loop while the list of # remainders has length greater than 1 while True: # temp1 will contain the new value  # of A. which is calculated according  # to the equation m1' * m1 * x0 + m0' # * m0 * x1 temp1 = modinv(m[1]m[0]) * x[0] * m[1] +  modinv(m[0]m[1]) * x[1] * m[0] # temp2 contains the value of the modulus # in the new equation which will be the  # product of the modulii of the two # equations that we are combining temp2 = m[0] * m[1] # we then remove the first two elements # from the list of remainders and replace # it with the remainder value which will # be temp1 % temp2 x.remove(x[0]) x.remove(x[0]) x = [temp1 % temp2] + x # we then remove the first two values from # the list of modulii as we no longer require # them and simply replace them with the new  # modulii that we calculated m.remove(m[0]) m.remove(m[0]) m = [temp2] + m # once the list has only one element left # we can break as it will only contain  # the value of our final remainder if len(x) == 1: break # returns the remainder of the final equation return x[0] # driver segment m = [4 7 9 11] x = [3 4 1 0] print crt(m x) 
C#
using System; using System.Collections; using System.Collections.Generic; using System.Linq; // C# program to combine modular equations // using Chinese Remainder Theorem class HelloWorld {  // function that implements Extended euclidean  // algorithm  public static List<int> extended_euclidean(int aint b){  if(a == 0){  List<int> temp = new List<int>();  temp.Add(b);  temp.Add(0);  temp.Add(1);   return temp;  }  else{  List<int> temp = new List<int>();  temp.Add(0);  temp.Add(0);  temp.Add(0);  temp= extended_euclidean(b % a a);  int g = temp[0];  int y = temp[1];  int x = temp[2];  temp[0] = g;  temp[1] = x - ((b/a) * y);  temp[2] = y;  return temp;  }  List<int> temp1 = new List<int>();  return temp1;  }  // modular inverse driver function  public static double modinv(int aint m){  List<int> temp = new List<int>();  temp.Add(0);  temp.Add(0);  temp.Add(0);  temp = extended_euclidean(a m);  int g = temp[0];  int x = temp[1];  int y = temp[2];  // Since we are taking the modulo of   // negative numbers so to have positive   // output of the modulo we use this formula.   double val = Math.Floor(((double)x/(double)m));  double ans = x - (val * m);  return ans;  }  // function implementing Chinese remainder theorem  // list m contains all the modulii  // list x contains the remainders of the equations  public static int crt(List<int> mList<int> x)  {  // We run this loop while the list of  // remainders has length greater than 1  while(true)  {  // temp1 will contain the new value   // of A. which is calculated according   // to the equation m1' * m1 * x0 + m0'  // * m0 * x1  double var1 = (modinv(m[1]m[0]));  double var2 = (modinv(m[0]m[1]));  // cout << var1 << ' ' << var2 << endl;  double temp1 = (modinv(m[1]m[0])) * x[0] * m[1] + (modinv(m[0]m[1]) )* x[1] * m[0];  // temp2 contains the value of the modulus  // in the new equation which will be the   // product of the modulii of the two  // equations that we are combining  int temp2 = m[0] * m[1];  // cout << temp1<< ' '<  // we then remove the first two elements  // from the list of remainders and replace  // it with the remainder value which will  // be temp1 % temp2  x.RemoveAt(0);  x.RemoveAt(0);  x.Insert(0 (int)temp1%(int)temp2);  //we then remove the first two values from  //the list of modulii as we no longer require  // them and simply replace them with the new   // modulii that we calculated  m.RemoveAt(0);  m.RemoveAt(0);  m.Insert(0 temp2);  // once the list has only one element left  // we can break as it will only contain   // the value of our final remainder  if(x.Count == 1){  break;  }  }  // returns the remainder of the final equation  return x[0];  }  static void Main() {  List<int> m = new List<int>(){  4 7 9 11  };  List<int> x = new List<int> (){  3 4 1 0  };  Console.WriteLine(crt(m x));  } } // The code is contributed by Nidhi goel.  
JavaScript
// JavaScript program to combine modular equations // using Chinese Remainder Theorem // function that implements Extended euclidean // algorithm function extended_euclidean(a b){  if(a == 0){  let temp = [b 0 1];  return temp;  }  else{  let temp= extended_euclidean(b % a a);  let g = temp[0];  let y = temp[1];  let x = temp[2];  temp[0] = g;  temp[1] = x - (Math.floor(b/a) * y);  temp[2] = y;  return temp;  }  let temp;  return temp; } // modular inverse driver function function modinv(a m){  let temp = extended_euclidean(a m);  let g = temp[0];  let x = temp[1];  let y = temp[2];    // Since we are taking the modulo of   // negative numbers so to have positive   // output of the modulo we use this formula.   let ans = x - (Math.floor(x/m) * m);  return ans; }   // function implementing Chinese remainder theorem // list m contains all the modulii // list x contains the remainders of the equations function crt(m x) {    // We run this loop while the list of  // remainders has length greater than 1  while(1)  {    // temp1 will contain the new value   // of A. which is calculated according   // to the equation m1' * m1 * x0 + m0'  // * m0 * x1  let var1 = (modinv(m[1]m[0]));  let var2 = (modinv(m[0]m[1]) );  // cout << var1 << ' ' << var2 << endl;  let temp1 = (modinv(m[1]m[0])) * x[0] * m[1] + (modinv(m[0]m[1]) )* x[1] * m[0];  // temp2 contains the value of the modulus  // in the new equation which will be the   // product of the modulii of the two  // equations that we are combining  let temp2 = m[0] * m[1];  // cout << temp1<< ' '<  // we then remove the first two elements  // from the list of remainders and replace  // it with the remainder value which will  // be temp1 % temp2  x.shift();  x.shift();  x.unshift(temp1 % temp2);  //we then remove the first two values from  //the list of modulii as we no longer require  // them and simply replace them with the new   // modulii that we calculated  m.shift();  m.shift();  m.unshift(temp2);  // once the list has only one element left  // we can break as it will only contain   // the value of our final remainder  if(x.length== 1){  break;  }  }    // returns the remainder of the final equation  return x[0]; } // driver segment let m = [4 7 9 11]; let x = [3 4 1 0]; console.log(crt(m x)); // The code is contributed by phasing17 

תְפוּקָה:

1243

מורכבות זמן: O(l) כאשר l הוא גודל רשימת השאריות.

מורכבות החלל: O(1) מכיוון שאיננו משתמשים ברווח נוסף.

למשפט ואלגוריתם זה יש יישומים מצוינים. יישום שימושי אחד הוא בחישובנגר% m כאשר m אינו מספר ראשוני ו משפט לוקאס לא ניתן ליישם ישירות. במקרה כזה נוכל לחשב את הגורמים הראשוניים של m ולהשתמש בגורמים הראשוניים אחד אחד כמודולוס שלנונגרמשוואת %m אותה נוכל לחשב באמצעות משפט לוקאס ולאחר מכן לשלב את המשוואות המתקבלות יחדיו באמצעות משפט השאריות הסינית המוצג לעיל.

צור חידון