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印度、伊斯兰与中国的数学 从婆罗摩笈多的圆内接四边形公式 S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)} S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) 与他的佩尔方程 x 2 − N y 2 = 1 x^2-Ny^2=1 x 2 − N y 2 = 1 ,到花拉子米的代数与欧玛尔·海亚姆用圆锥曲线求解三次方程,再到刘徽割圆术倍增多边形逼近 π \pi π 与中国剩余定理。
直观 三种文明,一条思想长河 大约从公元3世纪到13世纪,欧洲留下的数学文献相对较少,而三种文明却以极其具体、直观的方法推动了数学发展:以婆罗摩笈多为代表的印度天文数学家给出了圆内接四边形的精确公式,并求出 x 2 − N y 2 = 1 x^2-Ny^2=1 x 2 − N y 2 = 1 的整数解;以花拉子米、欧玛尔·海亚姆为代表的伊斯兰世界学者把零散技巧变成一门系统的代数学,通过真正切割拼接正方形,或让两条曲线相交来求解方程;而以刘徽和《孙子算经》作者为代表的中国数学家通过不断倍增多边形逼近 π \pi π ,并用今天所称的中国剩余定理解决历法问题。
在单位圆内接一个正 n n n 边形:相邻两个顶点之间的圆心角为 θ = 360 ∘ / n \theta=360^\circ/n θ = 36 0 ∘ / n 。把 θ \theta θ 拖到 30 ∘ 30^\circ 3 0 ∘ (即 n = 12 n=12 n = 12 ),再想象把它减半变成 24 24 24 边形——多边形与圆之间的缝隙不断收窄,这正是刘徽用来逼近 π \pi π 的方法背后的几何思想。 中学 婆罗摩笈多的圆内接四边形公式 定义: 圆内接四边形与半周长
边长为 a , b , c , d a,b,c,d a , b , c , d 的四边形若四个顶点都在同一个圆上,就称为圆内接四边形 ;这迫使对角互补。它的半周长为 s = a + b + c + d 2 s=\dfrac{a+b+c+d}{2} s = 2 a + b + c + d 。
s = a + b + c + d 2 s=\dfrac{a+b+c+d}{2} s = 2 a + b + c + d 婆罗摩笈多定理(《婆罗摩修正体系》,公元628年)指出,这样的四边形面积仅由四条边长决定,形式与三角形的海伦公式完全类似:S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)} S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) 。
S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)} S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) 这个公式从何而来?作对角线 A C AC A C 把四边形分成三角形 A B C ABC A B C (边 a , b a,b a , b )与三角形 A C D ACD A C D (边 c , d c,d c , d ),其中角 B B B 与角 D D D 互为对角。由于圆内接四边形对角互补,B + D = 180 ∘ B+D=180^\circ B + D = 18 0 ∘ ,从而 cos B = − cos D \cos B=-\cos D cos B = − cos D 。对两个三角形分别用余弦定理得到 A C 2 = a 2 + b 2 − 2 a b cos B AC^2=a^2+b^2-2ab\cos B A C 2 = a 2 + b 2 − 2 ab cos B 与 A C 2 = c 2 + d 2 − 2 c d cos D AC^2=c^2+d^2-2cd\cos D A C 2 = c 2 + d 2 − 2 c d cos D ;把 cos D = − cos B \cos D=-\cos B cos D = − cos B 代入后一式并令两式的 A C 2 AC^2 A C 2 相等,就能借助两个三角形的面积(1 2 a b sin B \tfrac12 ab\sin B 2 1 ab sin B 与 1 2 c d sin D \tfrac12 cd\sin D 2 1 c d sin D ,其中 sin B = sin D \sin B=\sin D sin B = sin D )消去 cos B \cos B cos B ;再用 s = a + b + c + d 2 s=\tfrac{a+b+c+d}2 s = 2 a + b + c + d 完成配方与因式分解,四条边就合并成上面这个对称乘积。
刘徽倍增多边形逼近 π \pi π (单位圆,r = 1 r=1 r = 1 ) 边数 n n n 边长 l n l_n l n 估计值 n l n / 2 n\,l_n/2 n l n /2 6 1.0000 3.0000 12 0.5176 3.1058 24 0.2611 3.1326 48 0.1308 3.1394 96 0.0654 3.1410
大学 佩尔方程与轮转法 在同一部628年的著作中,婆罗摩笈多研究了今天所称的佩尔方程 x 2 − N y 2 = 1 x^2-Ny^2=1 x 2 − N y 2 = 1 (N N N 为固定的非完全平方正整数),求整数解 x , y x,y x , y 。他发现了可以把两个解合成为新解的“婆万那”(合成)恒等式;几个世纪后婆什迦罗第二把它发展成“轮转法”:从 x 2 − N y 2 = k x^2-Ny^2=k x 2 − N y 2 = k (k k k 较小)的一个粗略解出发,反复与适当选取的平凡解合成,逐步缩小 ∣ k ∣ |k| ∣ k ∣ ,直到 k = ± 1 k=\pm1 k = ± 1 ,此时要么已得到 k = 1 k=1 k = 1 的解,要么再合成一步即可得到。
x 2 − N y 2 = 1 x^2-Ny^2=1 x 2 − N y 2 = 1 早在近五个世纪之前,欧玛尔·海亚姆就着手解决另一个问题:求解仅用直尺圆规无法解决的三次方程。在约1070年的《代数问题论证》中,他证明了每个三次方程都可以通过两条圆锥曲线的交点求解。
具体来说,设 a , b > 0 a,b>0 a , b > 0 ,考虑三次方程 x 3 + a 2 x = a 2 b x^3+a^2x=a^2b x 3 + a 2 x = a 2 b 。让抛物线 x 2 = a y x^2=ay x 2 = a y 与圆 y 2 = x ( b − x ) y^2=x(b-x) y 2 = x ( b − x ) (位于正 x x x 轴上、直径为 b b b 且过原点的半圆)相交。把抛物线给出的 y = x 2 / a y=x^2/a y = x 2 / a 代入圆的方程,得 ( x 2 / a ) 2 = x ( b − x ) \left(x^2/a\right)^2=x(b-x) ( x 2 / a ) 2 = x ( b − x ) ,即 x 4 / a 2 = b x − x 2 x^4/a^2=bx-x^2 x 4 / a 2 = b x − x 2 ;两边除以 x ≠ 0 x\neq0 x = 0 再乘以 a 2 a^2 a 2 ,恰好还原出 x 3 + a 2 x = a 2 b x^3+a^2x=a^2b x 3 + a 2 x = a 2 b 。于是(非原点)交点的 x x x 坐标就是 方程的根——用曲线的相交代替了根式。
取 a = 1 , b = 2 a=1,b=2 a = 1 , b = 2 :三次方程为 x 3 + x = 2 x^3+x=2 x 3 + x = 2 ,抛物线为 x 2 = y x^2=y x 2 = y ,圆为 y 2 = x ( 2 − x ) y^2=x(2-x) y 2 = x ( 2 − x ) 。它们(除原点外)相交于 ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) :确实 y 2 = 1 y^2=1 y 2 = 1 与 x ( 2 − x ) = 1 ⋅ 1 = 1 x(2-x)=1\cdot1=1 x ( 2 − x ) = 1 ⋅ 1 = 1 相符,且 1 3 + 1 = 2 1^3+1=2 1 3 + 1 = 2 直接验证了三次方程。海亚姆的作图法同样能处理根为无理数的三次方程——即便算不出干净的数值,曲线依然相交。
大学 刘徽求 π \pi π 的倍增多边形算法 约公元263年,刘徽在注释经典著作《九章算术》时,在半径为 r r r 的圆内接一个正六边形,并不断把边数加倍。设内接正 n n n 边形的边长为 l n l_n l n ,由勾股定理,圆心到某边中点的距离(弦心距)为 r 2 − ( l n / 2 ) 2 \sqrt{r^2-(l_n/2)^2} r 2 − ( l n /2 ) 2 ,而该中点到圆弧之间的缝隙(矢)为 r − r 2 − ( l n / 2 ) 2 r-\sqrt{r^2-(l_n/2)^2} r − r 2 − ( l n /2 ) 2 。把一个旧顶点与位于该缝隙上方弧上的新顶点相连,就构成一个直角三角形,于是倍增后的边长满足递推式 l 2 n = ( l n 2 ) 2 + ( r − r 2 − ( l n 2 ) 2 ) 2 l_{2n}=\sqrt{\left(\dfrac{l_n}{2}\right)^2+\left(r-\sqrt{r^2-\left(\dfrac{l_n}{2}\right)^2}\right)^2} l 2 n = ( 2 l n ) 2 + r − r 2 − ( 2 l n ) 2 2 。由于当 n n n 增大时,n n n 边形的周长 n l n n\,l_n n l n 趋近圆的周长 2 π r 2\pi r 2 π r ,所以 π ≈ n l n 2 r \pi\approx\dfrac{n\,l_n}{2r} π ≈ 2 r n l n 给出越来越精确的估计。
l 2 n = ( l n 2 ) 2 + ( r − r 2 − ( l n 2 ) 2 ) 2 l_{2n}=\sqrt{\left(\dfrac{l_n}{2}\right)^2+\left(r-\sqrt{r^2-\left(\dfrac{l_n}{2}\right)^2}\right)^2} l 2 n = ( 2 l n ) 2 + r − r 2 − ( 2 l n ) 2 2 从六边形出发(正六边形边长等于半径,故 l 6 = r l_6=r l 6 = r ),倍增四次得到96边形,刘徽得到 π ≈ 3.14 \pi\approx3.14 π ≈ 3.14 ;后来一直倍增到3072边形,他得到了著名的数值 3.1416 3.1416 3.1416 ,精确到小数点后四位——比袖珍计算器早了十三个世纪。
当 b > 0 b>0 b > 0 、c > 0 c>0 c > 0 时,x 2 + b x = c x^2+bx=c x 2 + b x = c 的正根为 x = c + ( b 2 ) 2 − b 2 x=\sqrt{c+\left(\dfrac b2\right)^2}-\dfrac b2 x = c + ( 2 b ) 2 − 2 b 。
为什么成立? 花拉子米(巴格达,约公元820年,著有《还原与对消计算概要》——“代数”一词的由来)没有负数也没有符号记法,因此他通过真正画出正方形和矩形、再把它们拼补成一个更大的正方形来求解二次方程,这幅图使原本神秘的公式变得一目了然。
证明 画一个边长为 x x x 的正方形,其面积为 x 2 x^2 x 2 ,是 x 2 + b x = c x^2+bx=c x 2 + b x = c 的第一项。在该正方形的两条相邻边上各附加一个宽为 b / 2 b/2 b /2 、长为 x x x 的细长矩形,二者面积之和为 2 ⋅ b 2 ⋅ x = b x 2\cdot\tfrac b2\cdot x=bx 2 ⋅ 2 b ⋅ x = b x ,正是第二项。这样得到的L形图形(“折尺形”)面积为 x 2 + b x = c x^2+bx=c x 2 + b x = c 。
这个折尺形其实就是边长为 x + b / 2 x+b/2 x + b /2 的大正方形缺了一个 b 2 × b 2 \tfrac b2\times\tfrac b2 2 b × 2 b 的小角。事实上,两个矩形与原正方形恰好在它们相接的外角处留下一个 ( b / 2 ) × ( b / 2 ) (b/2)\times(b/2) ( b /2 ) × ( b /2 ) 的空缺。把这个空缺补上:折尺形加上这个角上的小正方形,整体就成为一个边长为 x + b / 2 x+b/2 x + b /2 的真正正方形,其面积因此等于 c + ( b / 2 ) 2 c+(b/2)^2 c + ( b /2 ) 2 (折尺形面积 c c c 恰好加一次角上小正方形面积 ( b / 2 ) 2 (b/2)^2 ( b /2 ) 2 )。
于是 ( x + b 2 ) 2 = c + ( b 2 ) 2 (x+\tfrac b2)^2=c+\left(\tfrac b2\right)^2 ( x + 2 b ) 2 = c + ( 2 b ) 2 。两边取正平方根(边长为正)得 x + b 2 = c + ( b 2 ) 2 x+\dfrac b2=\sqrt{c+\left(\dfrac b2\right)^2} x + 2 b = c + ( 2 b ) 2 ,解出 x x x 即为 x = c + ( b 2 ) 2 − b 2 x=\sqrt{c+\left(\dfrac b2\right)^2}-\dfrac b2 x = c + ( 2 b ) 2 − 2 b 。
代数验证:逐项展开 ( c + ( b / 2 ) 2 − b / 2 ) 2 + b ( c + ( b / 2 ) 2 − b / 2 ) \left(\sqrt{c+(b/2)^2}-b/2\right)^2+b\left(\sqrt{c+(b/2)^2}-b/2\right) ( c + ( b /2 ) 2 − b /2 ) 2 + b ( c + ( b /2 ) 2 − b /2 ) ,交叉项 ± b c + ( b / 2 ) 2 b / 2 \pm b\sqrt{c+(b/2)^2}\,b/2 ± b c + ( b /2 ) 2 b /2 相消后恰好化简为 c c c ——这独立于图形验证了公式。取数值例 x 2 + 10 x = 39 x^2+10x=39 x 2 + 10 x = 39 (即 b = 10 , c = 39 b=10,c=39 b = 10 , c = 39 ):x = 39 + 25 − 5 = 64 − 5 = 8 − 5 = 3 x=\sqrt{39+25}-5=\sqrt{64}-5=8-5=3 x = 39 + 25 − 5 = 64 − 5 = 8 − 5 = 3 ,确实 3 2 + 10 ⋅ 3 = 9 + 30 = 39 3^2+10\cdot3=9+30=39 3 2 + 10 ⋅ 3 = 9 + 30 = 39 。
大学 中国剩余定理 设 m 1 , m 2 , … , m k m_1,m_2,\dots,m_k m 1 , m 2 , … , m k 是两两互素的正整数,a 1 , … , a k a_1,\dots,a_k a 1 , … , a k 是任意整数。那么对每个 i i i 都满足 x ≡ a i ( m o d m i ) x\equiv a_i\pmod{m_i} x ≡ a i ( mod m i ) 的同余方程组存在解 x x x ,且该解在模 M = m 1 m 2 ⋯ m k M=m_1m_2\cdots m_k M = m 1 m 2 ⋯ m k 意义下唯一。
为什么成立? 此定理最早记录于公元3至5世纪的《孙子算经》(“物不知数”问题),并由秦九韶于1247年给出完整的一般算法(大衍求一术)。它说明两两互素的模携带着独立的信息:知道一个数对模3、模5、模7的余数,就能在模105意义下唯一确定这个数,既不丢失信息也不会矛盾,因为这些模从不“重叠”。
证明 存在性,第一步(构造零件):对每个 i i i ,定义 M i = M / m i M_i=M/m_i M i = M / m i (除 m i m_i m i 外所有模的乘积)。由于各 m j m_j m j 两两互素,m i m_i m i 的任何素因子都不会出现在其他 m j m_j m j (j ≠ i j\neq i j = i )中,故 gcd ( M i , m i ) = 1 \gcd(M_i,m_i)=1 g cd( M i , m i ) = 1 。由裴蜀等式(扩展欧几里得算法)可知存在整数 y i y_i y i ——即 M i M_i M i 模 m i m_i m i 的逆元——满足 M i y i ≡ 1 ( m o d m i ) M_iy_i\equiv1\pmod{m_i} M i y i ≡ 1 ( mod m i ) 。
存在性,第二步(拼出解):令 x = ∑ i = 1 k a i M i y i m o d M x=\sum_{i=1}^{k}a_iM_iy_i\bmod M x = ∑ i = 1 k a i M i y i mod M 。固定任意下标 i i i ,把这个和式模 m i m_i m i 化简。对每个 j ≠ i j\neq i j = i ,因子 M j = M / m j M_j=M/m_j M j = M / m j (由于 i ≠ j i\neq j i = j )含有 m i m_i m i 作为其因子之一,故 m i ∣ M j m_i\mid M_j m i ∣ M j ,从而 a j M j y j ≡ 0 ( m o d m i ) a_jM_jy_j\equiv0\pmod{m_i} a j M j y j ≡ 0 ( mod m i ) 。只剩下第 i i i 项:利用 M i y i ≡ 1 ( m o d m i ) M_iy_i\equiv1\pmod{m_i} M i y i ≡ 1 ( mod m i ) ,得 x ≡ a i M i y i ≡ a i ⋅ 1 = a i ( m o d m i ) x\equiv a_iM_iy_i\equiv a_i\cdot1=a_i\pmod{m_i} x ≡ a i M i y i ≡ a i ⋅ 1 = a i ( mod m i ) 。由于 i i i 任意,x x x 同时满足所有同余式 x ≡ a i ( m o d m i ) x\equiv a_i\pmod{m_i} x ≡ a i ( mod m i ) 。
模 M M M 的唯一性:设另有整数 x ′ x' x ′ 也满足所有 x ≡ a i ( m o d m i ) x\equiv a_i\pmod{m_i} x ≡ a i ( mod m i ) 。则对每个 i i i 都有 x − x ′ ≡ 0 ( m o d m i ) x-x'\equiv0\pmod{m_i} x − x ′ ≡ 0 ( mod m i ) ,即每个 m i m_i m i 都整除 x − x ′ x-x' x − x ′ 。由于各 m i m_i m i 两两互素,它们的最小公倍数等于其乘积 M M M ,因此 M ∣ ( x − x ′ ) M\mid(x-x') M ∣ ( x − x ′ ) ——两两互素的数的任何公倍数必定是其乘积的倍数。故 x ≡ x ′ ( m o d M ) x\equiv x'\pmod M x ≡ x ′ ( mod M ) :解在模 M M M 意义下唯一,正如所述。
小例验证:取 m 1 = 3 , m 2 = 5 m_1=3,m_2=5 m 1 = 3 , m 2 = 5 ,a 1 = 2 , a 2 = 3 a_1=2,a_2=3 a 1 = 2 , a 2 = 3 ,即方程组 x ≡ 2 ( m o d 3 ) , x ≡ 3 ( m o d 5 ) x\equiv2\pmod3,\ x\equiv3\pmod5 x ≡ 2 ( mod 3 ) , x ≡ 3 ( mod 5 ) 。此处 M = 15 M=15 M = 15 ;M 1 = 5 M_1=5 M 1 = 5 需要 5 y 1 ≡ 1 ( m o d 3 ) 5y_1\equiv1\pmod3 5 y 1 ≡ 1 ( mod 3 ) ,即 2 y 1 ≡ 1 ( m o d 3 ) 2y_1\equiv1\pmod3 2 y 1 ≡ 1 ( mod 3 ) ,故 y 1 = 2 y_1=2 y 1 = 2 ;M 2 = 3 M_2=3 M 2 = 3 需要 3 y 2 ≡ 1 ( m o d 5 ) 3y_2\equiv1\pmod5 3 y 2 ≡ 1 ( mod 5 ) ,故 y 2 = 2 y_2=2 y 2 = 2 。于是 x = 2 ⋅ 5 ⋅ 2 + 3 ⋅ 3 ⋅ 2 = 20 + 18 = 38 ≡ 8 ( m o d 15 ) x=2\cdot5\cdot2+3\cdot3\cdot2=20+18=38\equiv8\pmod{15} x = 2 ⋅ 5 ⋅ 2 + 3 ⋅ 3 ⋅ 2 = 20 + 18 = 38 ≡ 8 ( mod 15 ) ,即 x = 8 x=8 x = 8 。验证:8 = 2 ⋅ 3 + 2 8=2\cdot3+2 8 = 2 ⋅ 3 + 2 模 3 3 3 余 2 2 2 ,8 = 1 ⋅ 5 + 3 8=1\cdot5+3 8 = 1 ⋅ 5 + 3 模 5 5 5 余 3 3 3 ——两个同余式都成立,构造得证。
大学 实际应用与典型例题 这并非博物馆里的陈迹。孙子的问题正是为了同步历法而提出的:古代中国天文学家要同时追踪多个周期(60天的干支周期、行星周期、朔望月),剩余定理让他们只凭几个余数就能确定日期,而不必逐日计数——这正是它诞生时所服务的历法与导航用途。同样的思想如今支撑着现代密码学:RSA解密把一个巨大的模数 n = p q n=pq n = pq 与中国剩余定理结合(“CRT-RSA”优化),分别对位长约为一半的模 p p p 与模 q q q 做模幂运算,再合并结果,速度大约是直接对模 n n n 运算的四倍。
例题: 婆罗摩笈多公式在具体四边形上的应用
一个圆内接四边形的连续边长为 a = 3 , b = 4 , c = 5 , d = 6 a=3,b=4,c=5,d=6 a = 3 , b = 4 , c = 5 , d = 6 ,求其面积。
解答 先计算半周长:s = 3 + 4 + 5 + 6 2 = 18 2 = 9 s=\dfrac{3+4+5+6}{2}=\dfrac{18}{2}=9 s = 2 3 + 4 + 5 + 6 = 2 18 = 9 。
再求各因子 s − a , s − b , s − c , s − d s-a,s-b,s-c,s-d s − a , s − b , s − c , s − d :s − a = 9 − 3 = 6 s-a=9-3=6 s − a = 9 − 3 = 6 ,s − b = 9 − 4 = 5 s-b=9-4=5 s − b = 9 − 4 = 5 ,s − c = 9 − 5 = 4 s-c=9-5=4 s − c = 9 − 5 = 4 ,s − d = 9 − 6 = 3 s-d=9-6=3 s − d = 9 − 6 = 3 。
代入婆罗摩笈多公式:S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) = 6 ⋅ 5 ⋅ 4 ⋅ 3 = 360 S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}=\sqrt{6\cdot5\cdot4\cdot3}=\sqrt{360} S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) = 6 ⋅ 5 ⋅ 4 ⋅ 3 = 360 。
化简根号:360 = 36 ⋅ 10 360=36\cdot10 360 = 36 ⋅ 10 ,故 S = 36 ⋅ 10 = 6 10 S=\sqrt{36\cdot10}=6\sqrt{10} S = 36 ⋅ 10 = 6 10 ,约为 18.97 18.97 18.97 平方单位——仅凭一个公式,无需知道各个角度或对角线。
例题: 孙子原题:剩余问题
《孙子算经》(公元3至5世纪)提出:求满足 x ≡ 2 ( m o d 3 ) , x ≡ 3 ( m o d 5 ) , x ≡ 2 ( m o d 7 ) x\equiv2\pmod3,\ x\equiv3\pmod5,\ x\equiv2\pmod7 x ≡ 2 ( mod 3 ) , x ≡ 3 ( mod 5 ) , x ≡ 2 ( mod 7 ) 的最小正整数 x x x 。
解答 模 3 , 5 , 7 3,5,7 3 , 5 , 7 两两互素,因此中国剩余定理适用,M = 3 ⋅ 5 ⋅ 7 = 105 M=3\cdot5\cdot7=105 M = 3 ⋅ 5 ⋅ 7 = 105 。
计算各 M i M_i M i 及其逆元 y i y_i y i :M 1 = 105 / 3 = 35 M_1=105/3=35 M 1 = 105/3 = 35 ,35 y 1 ≡ 1 ( m o d 3 ) 35y_1\equiv1\pmod3 35 y 1 ≡ 1 ( mod 3 ) 即(因 35 ≡ 2 35\equiv2 35 ≡ 2 )2 y 1 ≡ 1 ( m o d 3 ) 2y_1\equiv1\pmod3 2 y 1 ≡ 1 ( mod 3 ) ,故 y 1 = 2 y_1=2 y 1 = 2 (2 ⋅ 2 = 4 ≡ 1 ( m o d 3 ) 2\cdot2=4\equiv1\pmod3 2 ⋅ 2 = 4 ≡ 1 ( mod 3 ) )。再看 M 2 = 105 / 5 = 21 M_2=105/5=21 M 2 = 105/5 = 21 ,21 y 2 ≡ 1 ( m o d 5 ) 21y_2\equiv1\pmod5 21 y 2 ≡ 1 ( mod 5 ) 即(因 21 ≡ 1 21\equiv1 21 ≡ 1 )1 ⋅ y 2 ≡ 1 ( m o d 5 ) 1\cdot y_2\equiv1\pmod5 1 ⋅ y 2 ≡ 1 ( mod 5 ) ,故 y 2 = 1 y_2=1 y 2 = 1 。最后 M 3 = 105 / 7 = 15 M_3=105/7=15 M 3 = 105/7 = 15 ,15 y 3 ≡ 1 ( m o d 7 ) 15y_3\equiv1\pmod7 15 y 3 ≡ 1 ( mod 7 ) 即(因 15 ≡ 1 15\equiv1 15 ≡ 1 )1 ⋅ y 3 ≡ 1 ( m o d 7 ) 1\cdot y_3\equiv1\pmod7 1 ⋅ y 3 ≡ 1 ( mod 7 ) ,故 y 3 = 1 y_3=1 y 3 = 1 。
拼出解:x = a 1 M 1 y 1 + a 2 M 2 y 2 + a 3 M 3 y 3 = 2 ⋅ 35 ⋅ 2 + 3 ⋅ 21 ⋅ 1 + 2 ⋅ 15 ⋅ 1 = 140 + 63 + 30 = 233 x=a_1M_1y_1+a_2M_2y_2+a_3M_3y_3=2\cdot35\cdot2+3\cdot21\cdot1+2\cdot15\cdot1=140+63+30=233 x = a 1 M 1 y 1 + a 2 M 2 y 2 + a 3 M 3 y 3 = 2 ⋅ 35 ⋅ 2 + 3 ⋅ 21 ⋅ 1 + 2 ⋅ 15 ⋅ 1 = 140 + 63 + 30 = 233 。
模 M = 105 M=105 M = 105 化简:233 = 2 ⋅ 105 + 23 233=2\cdot105+23 233 = 2 ⋅ 105 + 23 ,故 233 ≡ 23 ( m o d 105 ) 233\equiv23\pmod{105} 233 ≡ 23 ( mod 105 ) ,即 x = 23 x=23 x = 23 。
验证三个同余式:23 = 7 ⋅ 3 + 2 23=7\cdot3+2 23 = 7 ⋅ 3 + 2 (模 3 3 3 余 2 2 2 ),23 = 4 ⋅ 5 + 3 23=4\cdot5+3 23 = 4 ⋅ 5 + 3 (模 5 5 5 余 3 3 3 ),23 = 3 ⋅ 7 + 2 23=3\cdot7+2 23 = 3 ⋅ 7 + 2 (模 7 7 7 余 2 2 2 )——全部吻合,且因 23 < 105 23<105 23 < 105 ,它就是最小正整数解。
常见错误. 有两个经典陷阱。第一,在配方时,学生常常错误地加上 b 2 b^2 b 2 ,或把 ( b / 2 ) 2 (b/2)^2 ( b /2 ) 2 加了两次——但几何图形表明,缺角小正方形的面积是 ( b / 2 ) 2 (b/2)^2 ( b /2 ) 2 ,为了把折尺形补成正方形,它只应加一次 ;再加一次(或用 b 2 b^2 b 2 )就会破坏与 c c c 的等式。第二,中国剩余定理保证模 M = m 1 ⋯ m k M=m_1\cdots m_k M = m 1 ⋯ m k 下解唯一,前提是这些模必须两两 互素,而不仅仅是整体上 gcd ( m 1 , … , m k ) = 1 \gcd(m_1,\dots,m_k)=1 g cd( m 1 , … , m k ) = 1 ——例如 m 1 = 4 , m 2 = 6 m_1=4,m_2=6 m 1 = 4 , m 2 = 6 并非两两互素(gcd = 2 \gcd=2 g cd= 2 ),尽管没有单个模同时整除二者;此时构造 x = ∑ a i M i y i x=\sum a_iM_iy_i x = ∑ a i M i y i 会悄悄失效,因为 M i M_i M i 与 m i m_i m i 不再互素,逆元 y i y_i y i 不存在,对某些 a i a_i a i 的选择甚至根本无解。 历史注记
约公元820年,在巴格达的“智慧宫”,花拉子米撰写了《还原与对消计算概要》,系统化了上文所述通过配方作图求解二次方程的方法;此书(及作者)名称的拉丁化形式给了我们“代数”(algebra)与“算法”(algorithm)这两个词。他继承并向西传播了两个世纪前已在印度流传的思想——婆罗摩笈多628年的《婆罗摩修正体系》——同时还有更为古老的中国传统:刘徽在公元3世纪精炼了倍增多边形计算 π \pi π 的方法,而欧玛尔·海亚姆则会在花拉子米之后两个半世纪、约公元1070年,把这些方法的几何精神推广到三次方程。综观全局,印度→伊斯兰世界→(后来的)欧洲这条链条,与一支独立而同样丰富的中国传统并行不悖,展示出数学是一场名副其实的全球接力,而非单一文化的发明。
花拉子米 婆罗摩笈多 刘徽 欧玛尔·海亚姆
一个圆内接四边形的边长为 3 , 4 , 5 , 6 3,4,5,6 3 , 4 , 5 , 6 。用婆罗摩笈多公式 S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)} S = ( s − a ) ( s − b ) ( s − c ) ( s − d ) ,它的面积是多少?
6 10 6\sqrt{10} 6 10 20 20 20 210 \sqrt{210} 210 12 10 12\sqrt{10} 12 10 婆罗摩笈多在公元628年研究、后来用轮转法求解的方程,今天被称为佩尔方程,它是哪一个?
x 2 − N y 2 = 1 x^2-Ny^2=1 x 2 − N y 2 = 1 x 2 + N y 2 = 1 x^2+Ny^2=1 x 2 + N y 2 = 1 x y − N = 1 xy-N=1 x y − N = 1 x 2 − N y = 1 x^2-Ny=1 x 2 − N y = 1 在《代数问题论证》中,欧玛尔·海亚姆通过让哪两条曲线相交,以几何方式求解三次方程?
一条抛物线与一个圆 两条抛物线 一个椭圆与一条直线 两个圆
孙子的剩余问题最初是为历法与天文计算而提出的;同一个中国剩余定理主要通过以下哪种方式加速现代RSA解密?
把模幂运算拆分成模 p p p 与模 q q q 的较小计算,再合并结果 为了冗余而将消息加密两次 更快地生成大素因子 p p p 与 q q q 在传输前压缩密文