Chinesischer Restsatz
Chinesischer Restsatz ist der Name mehrerer ähnlicher Theoreme der abstrakten
Algebra und
Zahlentheorie.
Simultane Kongruenzen ganzer Zahlen
x≡a1modm1x≡a2modm2⋮x≡anmodmn
für die alle
x bestimmt werden sollen, die sämtliche
Kongruenzen gleichzeitig lösen. Wenn eine Lösung
x existiert, dann sind mit
M:=kgV(m1,m2,m3,…,mn) die Zahlen
x+kM (k∈Z) genau alle Lösungen. Es kann aber auch sein, dass es gar keine Lösung gibt.
Teilerfremde Moduln
Die Originalform des Chinesischen Restsatzes aus einem Buch des chinesischen Mathematikers Ch'in Chiu-Shao aus dem Jahr 1247 ist eine Aussage über
simultane Kongruenzen für den Fall, dass die
Moduln teilerfremd sind. Sie lautet:
Seien
m1,…,mn paarweise teilerfremde
ganze Zahlen, dann existiert für jedes
Tupel ganzer Zahlen a1,…,an eine
ganze Zahl x, die die folgende
simultane Kongruenz erfüllt:
x≡aimodmi für
i=1,…,n
Das Produkt
M stimmt hier wegen der Teilerfremdheit mit dem
kgV überein.
Finden einer Lösung
Eine Lösung
x kann man wie folgt ermitteln. Für jedes
i sind die Zahlen
mi und
Mi:=M/mi teilerfremd, also kann man z.B. mit dem
erweiterten euklidischen Algorithmus zwei Zahlen
ri und
si finden, so dass
ri⋅mi+si⋅Mi=1.
Setzen wir
ei:=si⋅Mi, dann gilt
ei≡1modmi
ei≡0modmj, j=/i.
Die Zahl
x:=i=1∑naiei
ist dann eine Lösung der simultanen Kongruenz.
Beispiel
Gesucht sei eine
ganze Zahl x mit der Eigenschaft
x≡2(mod3)x≡3(mod4)x≡2(mod5)
Hier ist
M=3⋅4⋅5=60, M1=M/3=20, M2=M/4=15, M3=M/5=12.
(−13)⋅3+2⋅20=1, also
e1=40
(−11)⋅4+3⋅15=1, also
e2=45
5⋅5+(−2)⋅12=1, also
e3=−24
Eine Lösung ist dann
x=2⋅40+3⋅45+2⋅(−24)=167. Wegen
167≡47mod60 sind alle anderen Lösungen also kongruent zu 47 modulo 60.
Allgemeiner Fall
Auch im Fall, dass die
Moduln nicht
teilerfremd sind, existiert manchmal eine Lösung. Die genaue Bedingung lautet:
Eine Lösung der
simultanen Kongruenz existiert genau dann, wenn für alle
i=/j gilt:
ai≡ajmodggT(mi,mj).
Eine
simultane Kongruenz lässt sich im Falle der Existenz einer Lösung z.B. durch sukzessive Substitution lösen, auch wenn die
Moduln nicht
teilerfremd sind.
Beispiel
Ein klassisches Rätsel besteht darin, die kleinste
natürliche Zahl zu finden, die bei
Division durch 2, 3, 4, 5 und 6 jeweils den Rest 1 lässt, und durch 7
teilbar ist. Gesucht ist also die kleinste positive Lösung
x der
simultanen Kongruenz
x≡1mod2x≡1mod3x≡1mod4x≡1mod5x≡1mod6x≡0mod7
Da die
Moduln nicht
teilerfremd sind, kann man nicht direkt den
Chinesischen Restsatz (mit Lösungsverfahren) anwenden.
Man kann aber die ersten fünf Bedingungen zusammenfassen zu
x≡1modkgV(2,3,4,5,6), d.h. zu finden ist eine Lösung von
x≡1mod60x≡0mod7
Dieses Kongruenzsystem ist nun mit dem Chinesischen Restsatz lösbar. (Die Lösung sei dem Leser überlassen.)
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Paul Erdös
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