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对苏教版必修3《算法案例》两个问题的注解
江苏省丹阳高级中学 史建军(212300)苏教版必修3《算法案例》中有两个案例,一个是辗转相除法,另一个是“韩信点兵—孙子问题”。学生在学习这部分内容时,有两点突出的感受:一是惊叹,二是迷惑。两个案例都闪烁着前人卓越智慧的光芒,意义非凡,影响深远,令人叹服!惊叹之余,学生又疑云重生:为什么用辗转相除法能求两个数的最大公约数?韩信用了什么方法能如此之快知道士兵有2333人?
教学中,一些教师试图以“考试不作要求”为由,“委婉”地将学生的疑问消除于“萌芽状态”,但事与愿违,反而更增强了他们的好奇心。笔者在进行这部分内容的教学时,对上述两个案例进行了适当的剖析与注解,既为学生解了惑,更激发了学生学习数学的兴趣。
1.辗转相除法求最大公约数
《算法案例》中的案例2仅简单介绍了欧几里得辗转相除法的具体步骤及算法设计,没有说明其理论依据和数学本质,即没有阐明上述“为什么”.若教师只是照本宣科,学生就只会按部就班的机械操作,而不知其中“玄机”;只会将问题“程序化”,不会将问题“数学化”;仅止步于问题的表面,而没有深入问题的本质。其实,辗转相除法的数学思想比较简单,学生很容易接受。
1.1辗转相除法的理论依据
定理 设a,b,c是三个不全为0的整数,且有整数t,使得a=bt+c,则a,b与b,c有相同的公约数,故(a,b)=(b,c),即(a,b)=(a,a-bt).
证明:设d是a,b的任一公约数,
,而
故d是b,c的公约数;
反之,若d是b,c的任一公约数,
,而
故d是a,b的公约数,
综上可知,(a,b)=(a,a-bt).
1.2辗转相除法求最大公约数
设,且,由带余除法有:
因为每进行一次带余除法,余数至少减1,即:
,而b为有限数,因此,必有一个最多不超过b的正整数n存在,使得:
,而,由上述定理可得:
.
上述过程虽然涉及简单的数论知识,但思路清晰简洁,易于接受。聊聊数语便使学生拨云见日,茅塞顿开。
2.韩信点兵—孙子问题
对于韩信点兵问题,学生更是将信将疑:既然韩信点兵问题相当于求一个不定方程组的正整数解,这个不定方程组的整数解唯一吗?如果不唯一的话,韩信何以如此之快得到正确答案?其实,韩信点兵问题属于数论中的同余问题。
2.1韩信点兵问题的解
韩信点兵问题相当于求关于的不定方程组:
………(*),显然233即方程组(*)3×5×7=105,不难发现,233加上或减去105的整数倍所得的数都满足方程组(*)233+105×20=2333,即得韩信点兵问题的解。
既然不定方程组(*);21是3和7的公倍数,用5除它余数是1,即;15是3和5的公倍数,用7除它余数是1,即.因此2×70是5和7的公倍数;3×212×15是3和5的公倍数,用7除它余数是2.
那么2×70+3×21+2×15=233就是这样一个数:
用3除它余数是2,即;
用5除它余数是3,即;
用7除它余数是2,即,满足(*)式.
至于70,21,15三个数是怎么求出来的呢?先看70,即怎样求5和7的一个倍数,用3除它系数是1,可以先看5和7的最小公倍数35是否用3除它余数是1,不是,则再看2×35到2×35=70(若2×35不满足,再看3×35,…),并指出了求解此类问题的一般方法。
设是两两互素的k个正整数,
……………………(**)
要求上述不定方程的整数解,只需寻求满足下列条件的:
, ,…,
,则不定方程组(**)的解满足:
.
上述方法的关键在于寻求核心量:
,使之满足且
.思路自然流畅,过程简洁易懂。用同样的方法将问题进一步一般化,即得数论中著名的孙子定理。
2.4孙子定理(中国剩余定理)
若,且是两两互素的k个正整数,令:
那么满足同余组:有唯一解:
.
这里是满足同余式:
的解.
证明:(存在性):
两两互素,,
从而同余式有解,即存在,又由的定义知:
对任意的,均有,从而:
得:
对均成立,故:
是同余方程组的解.
(唯一性):
设是上述同余组的两个解,则:
,
于是,即.
两两互素,
,
即,也即
上述韩信点兵问题的求解历程体现了从特殊到一般的思想。我们在解决数学问题时,经常以特殊问题为起点,逐步分析、比较、讨论,层层深入,从解决特殊问题的规律中,寻求解决一般问题的方法和规律。必然性存在于偶然性之中,关键是我们要善于抓住某些偶然现象,揭示其中的本质,从中悟出必然的规律。
3.几点思考
3.1了解知识背景,激发学习兴趣
欧几里得辗转相除法和孙子定理都是数论中的重要定理,影响深远,应用广泛。在教学过程中,若将相关数学知识背景恰当地融入课堂,充分展示这些数学知识的教育功能,潜移默化的影响学生,既拓宽了学生的视野,扩充了知识面,深化了对所学知识的理解,又能让学生学习前人勇于探索的精神,了
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