Последовательность Фари - Farey sequence

Диаграмма Фарея к F 9 представлена ​​дугами окружности. На изображении SVG наведите указатель мыши на кривую, чтобы выделить ее и ее элементы.
Диаграмма Фарея к F 9 .
Симметричный узор, образованный знаменателями последовательности Фарея, F 9 .
Симметричный узор, образованный знаменателями последовательности Фарея, F 25 .

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}
Санберст 8.png

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 .

Фэри солнечные лучи порядка 6

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

Упаковка кругов диаграмм Фарея 5.png
Упаковка кругов диаграмм Фарея 6.png

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

Сравнение окружностей Форда и диаграммы Фарея с дугами окружностей для n от 1 до 9. Каждая дуга пересекает соответствующие окружности под прямым углом. На изображении SVG наведите указатель мыши на круг или кривую, чтобы выделить их и их элементы.

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.

Аполлоновская прокладка (0,0,1,1) и резонансная диаграмма 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

внешние ссылки