連立合同式                           戻る

 中国の古典「孫子算経」(4〜5世紀)の中に、次のような問題がある。

ある数を、3で割ると2余り、5で割ると3余り、7で割ると2余るという。ある数は何か。

 このような問題は、吉田光由 著 「塵劫記」(江戸時代初期の頃)にも見ることが出来る。

 いくつか解法が知られている。

腕力にまかせる方法

 7で割って2余る数を並べると、

  2、9、16、23、30、37、44、51、58、65、72、79、86、93、100、・・・

この数列を5で割り、余りを求めると、2、4、1、3、0、2、4、1、3、0、2、4、1、3、0、・・・

 この中で余りが3となる数を拾い出すと、 23、58、93、・・・

この数列を3で割り、余りを求めると、 2、1、0、・・・ なので、求める答は、23となる。

 ※ この解法は確実だが、時間がかかるのが難点だろう。

和を利用する方法

 3と5の公倍数 15、30、45、60、・・・ の中で7で割って2余る数Pの最小値は、30

 3と7の公倍数 21、42、63、84、・・・ の中で5で割って3余る数Qの最小値は、63

 5と7の公倍数 35、70、105、140、・・・ の中で3で割って2余る数Rの最小値は、35

 P+Q+Rは題意を満たし、30+63+35=128 から 105=3×5×7を減算して、

 求める答は、23となる。

 (法則性に着目する方法

 5で割ると3余る数の一の位は、3 または 8 である。

 7で割って2余る数で、一の位が、3 または 8 となる場合を拾い上げると、

   23、58、93、・・・

 23は、3で割って2余る数なので、題意に適する。よって、求める答は、23となる。

 (文字を利用する方法

 求める数をMとおくと、題意より、 M=3a+2=5b+3=7b+2

 このとき、 M=3a+2=5b+3=7b+2 において、

 7(M−8)は、3、5、7の公倍数で、7(M−8)=105k (kは自然数)

  M=15k+8=23、38、・・・ より、求める答は、23となる。


 上記の解法では、「7(M−8)」が天下り的に現れ、違和感を持つ方が多数存在する恐れ!

このような場合に、合同式の記号(≡)を用いると、考えやすくなるだろう。

 合同式を用いると、問題は、次のように書き直すことができる。(合同式→こちらを参照)

 ある数を X として、 X≡2 (mod 3)、X≡3 (mod 5)、X≡2 (mod 7) の3式を
同時に満たす X を求めよ。

 これは、正しく連立合同式の問題である。この連立合同式の解法については、Gauss の方
法が知られている。

 Gauss の方法がいかにエレガントな解法であるかを理解するために、まず、高校生的解法
を眺めてみよう。

 X≡2 (mod 3)から、X=3p+2 (p は整数)とかける。

さらに、X≡3 (mod 5)から、X=3p+2=5q+3 (q は整数)とかける。

よって、3p+2=5q+3 から、3p=5q+1=6q+1−q より、1−q は、3の倍数。

そこで、1−q=−3r (r は整数)とおいて、もとの式に代入すると、

 X=5(3r+1)+3=15r+8 となる。

 また、X≡2 (mod 7)なので、X=15r+8=7s+2 (s は整数)とかける。

よって、15r+8=7s+2 から、7s=15r+6=14r+r+6 より、r+6 は、7の倍数。

 そこで、r+6=7t (t は整数)とおいて、もとの式に代入すると、

        X=15(7t−6)+8=105t−82 (t は整数) ・・・(答)

(ある数として、最小の自然数を想定すれば、上式に t=1 を代入して、23 を得る。)

 それでは、いよいよ、このページの眼目であるGauss の方法を説明しよう。

Gauss の方法 (以下で、3個の連立合同式で説明しているが、何個でも成立する。)

 p、q、r が2つずつ互いに素で、a、b、c は任意の整数とする。このとき、

   連立合同式  X≡a (mod p)
            X≡b (mod q)
            X≡c (mod r)


   の解は、次のようにして求められる。

 m=p・q・r とし、m= とおく。このとき、
         ≡1 (mod p)
         ≡1 (mod q)
         ≡1 (mod r)
となる A、B、C を求めれば、連立合同式の解は、
        X≡a・P・A+b・Q・B+c・R・C (mod m)
で与えられる。

 このような解法の手順は、孫子にちなんで、孫子の剰余定理(または、中国剰余定理)と
も呼ばれる。(Gauss の方法の証明は、上の高校生的解法と同様になされる。)

実際に、冒頭の問題に対して、Gauss の方法を適用してみよう。

連立合同式
           X≡2 (mod 3)
           X≡3 (mod 5)
           X≡2 (mod 7)
において、
 m=3・5・7=105 で、
         35・A≡1 (mod 3)を満たすAとして、A=2
         21・B≡1 (mod 5)を満たすBとして、B=1
         15・C≡1 (mod 7)を満たすCとして、C=1
よって、求める解は、
         X≡2・35・2+3・21・1+2・15・1
          =140+63+30
          =233 (mod 105)
          ≡23 (mod 105)

Gauss の方法はまた、分数を部分分数に分解する問題に対しても有効である。

(例) 次の分数を部分分数に分解せよ。    

 105=3・5・7 から、 23≡2 (mod 3)
                23≡3 (mod 5)
                23≡2 (mod 7)

このとき、23=2・35・2+3・21・1+2・15・1+105・(−2) より、

    

       

(参考文献:高木貞治 著 初等整数論講義(共立出版))