Последовательность Фари - Farey sequence
В математике , то последовательность Фарей порядка п является последовательностью из полностью восстановленных фракций , либо между 0 и 1, или без такого ограничения, что , когда в младших членах имеют знаменатели меньше или равно п , расположенное в порядке возрастания размера.
В ограниченном определении каждая последовательность Фарея начинается со значения 0, обозначенного дробью 0/1, и заканчивается значением 1, обозначенным дробью 1/1 (хотя некоторые авторы опускают эти термины).
Последовательность Фарей иногда называют Фарей серию , которая не является строго правильным, поскольку эти термины не суммируются.
Примеры
Последовательности Фарея порядков с 1 по 8:
- F 1 = {0/1, 1/1 }
- F 2 = {0/1, 1/2, 1/1 }
- F 3 = {0/1, 1/3, 1/2, 2/3, 1/1 }
- F 4 = {0/1, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 1/1 }
- F 5 = {0/1, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1 }
- F 6 = {0/1, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 1/1 }
- F 7 = {0/1, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 1/1 }
- F 8 = {0/1, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 3/8, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5, 5/8, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, 1/1 }
По центру |
---|
F 1 = {0/1, 1/1 } |
F 2 = {0/1, 1/2, 1/1 } |
F 3 = {0/1, 1/3, 1/2, 2/3, 1/1 } |
F 4 = {0/1, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 1/1 } |
F 5 = {0/1, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1 } |
F 6 = {0/1, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 1/1 } |
F 7 = {0/1, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 1/1 } |
F 8 = {0/1, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 3/8, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5, 5/8, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, 1/1 } |
Отсортировано |
---|
F1 = {0/1, 1/1} F2 = {0/1, 1/2, 1/1} F3 = {0/1, 1/3, 1/2, 2/3, 1/1} F4 = {0/1, 1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 1/1} F5 = {0/1, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 1/1} F6 = {0/1, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 , 1/1} F7 = {0/1, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5 , 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 1/1} F8 = {0/1, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 3/8, 2/5, 3/7, 1/2 , 4/7, 3/5, 5/8, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, 1/1} |
Построение числителей против знаменателей последовательности Фарея дает форму, подобную изображенной справа, показанной для F 6 .
Отражение этой формы вокруг диагональной и главной осей создает солнечные лучи Фарея , показанные ниже. Солнечные лучи Фарея порядка n соединяют видимые целочисленные точки сетки от начала координат в квадрате стороны 2 n с центром в начале координат. Используя теорему Пика, площадь солнечных лучей равна 4 (| F n | −1), где | F n | - количество дробей в F n .
История
- Очень любопытна история «сериала Фэри» - Харди и Райт (1979).
- ... опять же, человек, чье имя было дано математическому соотношению, не был первооткрывателем, насколько это известно. - Бейлер (1964)
Последовательности Фэри названы в честь британского геолога Джона Фэри-старшего , чье письмо об этих последовательностях было опубликовано в Philosophical Magazine в 1816 году. Фэри предположил, не предлагая доказательств, что каждый новый член в расширении последовательности Фэри является медиантом своих соседей. . Письмо Фари прочитал Коши , который представил доказательство в своих упражнениях по математике и приписал этот результат Фари. Фактически, другой математик, Чарльз Харос , опубликовал аналогичные результаты в 1802 году, которые не были известны ни Фари, ни Коши. Таким образом, имя Фэри было связано с этими эпизодами по исторической случайности. Это пример закона Стиглера эпонимии .
Характеристики
Длина последовательности и индекс дроби
Последовательность Фарея порядка n содержит все члены последовательностей Фарея более низких порядков. В частности, F n содержит все члены F n −1, а также дополнительную дробь для каждого числа, которое меньше n и взаимно просто с n . Таким образом, F 6 состоит из F 5 вместе с дробями1/6 и 5/6.
Средний член последовательности Фарея F n всегда равен1/2, для n > 1. Отсюда мы можем связать длины F n и F n −1, используя тотент-функцию Эйлера :
Используя тот факт, что | F 1 | = 2, можно получить выражение для длины F n :
где это Сумматорное totient .
У нас также есть :
и формулой обращения Мебиуса :
где µ ( d ) - теоретико-числовая функция Мёбиуса , а - нижняя функция .
Асимптотика | F n | является :
Индекс дроби в последовательности Фарея - это просто позиция, занимаемая в последовательности. Это имеет особое значение, поскольку используется в альтернативной формулировке гипотезы Римана , см. Ниже . Далее следуют различные полезные свойства:
Индекс, где и является наименьшим общим кратным первых чисел, определяется как:
Фарей соседи
Дроби, которые являются соседними членами в любой последовательности Фарея, известны как пара Фарея и обладают следующими свойствами.
Если а/б и c/d являются соседями в последовательности Фарея, причем а/б < c/d, то их разница c/d - а/б равно 1/bd. Это потому, что каждая последовательная пара рациональных чисел Фарея имеет эквивалентную площадь 1.
Если r1 = p / q и r2 = p '/ q' интерпретируются как векторы (p, q) в плоскости x, y, площадь A (p / q, p '/ q') задается как qp ' - q'p. Поскольку любая добавленная дробь между двумя предыдущими последовательными дробями последовательности Фарея рассчитывается как медианта ()
A (r1, r1⊕r2) = A (r1, r1) + A (r1, r2) = A (r1, r2) = 1 (так как r1 = 1/0 и r2 = 0/1, его площадь должна быть равна единице) .
С:
это эквивалентно тому, что
- .
Таким образом 1/3 и 2/5являются соседями в F 5 , а их разность равна1/15.
Обратное также верно. Если
для положительных целых чисел a , b , c и d с a < b и c < d тогдаа/б и c/dбудут соседями в последовательности Фарея порядка max ( b, d ).
Если п/q есть соседи а/б и c/d в некоторой последовательности Фарея, с
потом п/qявляется медианта иза/б и c/d - другими словами,
Это легко следует из предыдущего свойства, поскольку если bp - aq = qc - pd = 1 , то bp + pd = qc + aq , p ( b + d ) = q ( a + c ) ,п/q знак равно а + с/б + г.
Отсюда следует, что если а/б и c/d являются соседями в последовательности Фарея, то первый член, который появляется между ними при увеличении порядка последовательности Фарея, будет
которая впервые появляется в последовательности Фарея порядка b + d .
Таким образом, первый член, который появится между 1/3 и 2/5 является 3/8, который появляется в F 8 .
Общее количество пар соседей Фарея в F n равно 2 | F n | -3.
Дерево Штерна-Броко представляет собой структуру данных , показывающих , как последовательность построена вверх от 0 (=0/1) и 1 (= 1/1), взяв последовательные медианты.
Фарей-соседи и непрерывные дроби
Дроби, которые появляются как соседи в последовательности Фарея, имеют тесно связанные расширения непрерывных дробей . Каждая дробь имеет два расширения непрерывной дроби - в одной конечный член равен 1; в другом - последний член больше 1. Еслип/q, который впервые появляется в последовательности Фарея F q , имеет разложения в непрерывную дробь
- [0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 , a n , 1]
- [0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 , a n + 1]
затем ближайший сосед п/qв F q (который будет его соседом с большим знаменателем) имеет разложение в непрерывную дробь
- [0; a 1 , a 2 , ..., a n ]
и его другой сосед имеет расширение непрерывной дроби
- [0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 ]
Например, 3/8имеет два разложения в цепную дробь [0; 2, 1, 1, 1] и [0; 2, 1, 2] , а его соседями в F 8 являются2/5, который может быть расширен как [0; 2, 1, 1] ; и1/3, который может быть расширен как [0; 2, 1] .
Дроби Фарея и наименьшее общее кратное
LCM может быть выражена как продукты Фарея фракций , как
где - вторая функция Чебышева .
Дроби Фарея и наибольший общий делитель
Так как в totient функция Эйлера непосредственно связана с НОД , так это количество элементов в F п ,
Для любых 3 дробей Фарея а/б, c/d и е/жследующее тождество между gcd определителей матрицы 2x2 по модулю имеет место:
Приложения
Последовательности Фарея очень полезны для поиска рациональных приближений иррациональных чисел. Например, построение Элиаху нижней границы длины нетривиальных циклов в процессе 3 x +1 использует последовательности Фарея для вычисления разложения в непрерывную дробь числа log 2 (3).
В физических системах с резонансными явлениями последовательности Фарея представляют собой очень элегантный и эффективный метод вычисления местоположений резонансов в 1D и 2D.
Последовательности Фарея играют важную роль в исследованиях планирования траекторий под любым углом на сетках с квадратными ячейками, например, для характеристики их вычислительной сложности или оптимальности. Связь можно рассматривать с точки зрения r- ограниченных путей, а именно путей, составленных из линейных сегментов, каждый из которых пересекает не более строк и не более столбцов ячеек. Пусть множество векторов , таких , что , и , взаимно просты. Пусть будет результат отражения в строке . Пусть . Тогда любой r -ограниченный путь можно описать как последовательность векторов из . Существует взаимное соответствие между и последовательностью Фарея порядка, заданной отображением в .
Круги Форда
Существует связь между последовательностью Фарея и кругами Форда .
Для каждой фракции п/q (в самом низком смысле) есть окружность Форда C [п/q], который представляет собой окружность радиуса 1 / (2 q 2 ) с центром в точке (п/q, 1/ 2 кв ² ). Две окружности Форда для разных дробей либо не пересекаются, либо касаются друг друга - две окружности Форда никогда не пересекаются. Если 0 <п/q <1, то касательные к C [п/q] являются в точности окружностями Форда для дробей, которые являются соседями п/q в какой-то последовательности Фарея.
Таким образом, C [2/5] касается C [1/2], C [1/3], C [3/7], C [3/8] так далее.
Круги Форда появляются также в аполлонической прокладке (0,0,1,1). На рисунке ниже это показано вместе с резонансными линиями Фарея.
Гипотеза Римана
Последовательности Фарея используются в двух эквивалентных формулировках гипотезы Римана . Допустим, члены такие . Другими словами, определить разницу между k- м членом n- й последовательности Фарея и k- м членом набора с таким же количеством точек, равномерно распределенных на единичном интервале. В 1924 году Жером Франель доказал, что утверждение
эквивалентно гипотезе Римана, а затем Эдмунд Ландау заметил (сразу после статьи Франеля), что утверждение
также эквивалентна гипотезе Римана.
Другие суммы с участием дробей Фарея
Сумма всех дробей Фарея порядка n составляет половину числа элементов:
Сумма знаменателей в последовательности Фарея в два раза больше суммы числителей и относится к тотентифицирующей функции Эйлера:
гипотеза Гарольда Л. Аарона в 1962 году и продемонстрирована Джин А. Блейк в 1966 году. Однострочное доказательство гипотезы Гарольда Л. Аарона состоит в следующем. Сумма числителей равна . Сумма знаменателей равна . Отношение первой суммы ко второй сумме равно .
Пусть b j - упорядоченные знаменатели F n , тогда:
и
Пусть a j / b j j -я дробь Фарея в F n , тогда
что показано на. Также в соответствии с этой ссылкой термин внутри суммы может быть выражен разными способами:
получая таким образом много разных сумм по элементам Фарея с одинаковым результатом. Используя симметрию около 1/2, первая сумма может быть ограничена половиной последовательности как
Функция Мертенса может быть выражена в виде суммы по Фарею фракций в качестве
- где - последовательность Фарея порядка n .
Эта формула используется при доказательстве теоремы Франеля – Ландау .
Следующий семестр
Существует удивительно простой алгоритм для генерации членов F n либо в традиционном порядке (по возрастанию), либо в нетрадиционном порядке (по убыванию). Алгоритм вычисляет каждую последующую запись с точки зрения двух предыдущих записей, используя указанное выше свойство mediant. Еслиа/б и c/d - это две данные записи, и п/q следующая неизвестная запись, тогда c/d знак равно а + п/б + д. Сc/dв низших членах, должно быть целое число k такое, что kc = a + p и kd = b + q , что дает p = kc - a и q = kd - b . Если мы рассматриваем p и q как функции от k , то
поэтому чем больше k , тем ближеп/q добирается до c/d.
Чтобы дать следующий член в последовательности, k должно быть как можно большим, при условии, что kd - b ≤ n (поскольку мы рассматриваем только числа со знаменателем не больше n ), поэтому k - наибольшее целое число ≤ п + б/d. Подставляя это значение k обратно в уравнения для p и q, получаем
Это реализовано в Python следующим образом:
def farey_sequence(n: int, descending: bool = False) -> None:
"""Print the n'th Farey sequence. Allow for either ascending or descending."""
(a, b, c, d) = (0, 1, 1, n)
if descending:
(a, c) = (1, n - 1)
print("{0}/{1}".format(a, b))
while (c <= n and not descending) or (a > 0 and descending):
k = (n + b) // d
(a, b, c, d) = (c, d, k * c - a, k * d - b)
print("{0}/{1}".format(a, b))
Для поиска решений диофантовых уравнений в рациональных числах методом грубой силы часто можно использовать ряд Фарея (для поиска только сокращенных форм). Строки, отмеченные (*), также могут быть изменены для включения любых двух соседних терминов, чтобы генерировать термины только больше (или меньше), чем данный термин.
Смотрите также
Сноски
использованная литература
дальнейшее чтение
- Хэтчер, Аллен . «Топология чисел» . Математика. Итака, штат Нью-Йорк: Cornell U.
- Грэм, Рональд Л .; Кнут, Дональд Э .; Паташник, Орен (1989). Конкретная математика: фундамент информатики (2-е изд.). Бостон, Массачусетс: Аддисон-Уэсли. С. 115–123, 133–139, 150, 462–463, 523–524. ISBN 0-201-55802-5. - в частности, см. §4.5 (стр. 115–123), Проблема бонусов 4.61 (стр. 150, 523–524), §4.9 (стр. 133–139), §9.3, Задача 9.3.6 (стр. 462– 463).
- Вепстас, Линас. «Знак вопроса Минковского, GL (2, Z) и модульная группа» (PDF) . - рассматривает изоморфизмы дерева Штерна-Броко.
- Вепстас, Линас. «Симметрии отображений удвоения периодов» (PDF) . - рассматривает связи между фракциями Фарея и фракталами.
- Кобели, Кристиан; Захареску, Александру (2003). «Последовательность Хароса-Фарея в двести лет. Обзор». Acta Univ. Apulensis Math. Поставить в известность. (5): 1–38. "Стр. 1–20" (PDF) . Acta Univ. Apulensis . "Стр. 21–38" (PDF) . Acta Univ. Apulensis .
- Матвеев, Андрей О. (2017). Последовательности Фари: двойственность и карты между подпоследовательностями . Берлин, Германия: Де Грюйтер. ISBN 978-3-11-054662-0.
внешние ссылки
- Богомольный Александр . «Фарейский сериал» . Разрежьте узел .
- Богомольный Александр . "Штерн-Броко" . Разрежьте узел .
- Пеннестри, Этторе. "Стол Brocot базы 120" .
- «Ряд Фарея» , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
- Вайсштейн, Эрик В. "Дерево Штерна-Броко" . MathWorld .
- Последовательность OEIS A005728 (количество дробей в серии Фарея порядка n)
- Последовательность OEIS A006842 (Нумераторы ряда Фарея порядка n)
- Последовательность OEIS A006843 (знаменатели ряда Фарея порядка n)
- Бонахон, Фрэнсис . Смешные дроби и круги Форда (видео). Брэди Харан . Проверено 9 июня 2015 г. - через YouTube.