Farey sekvence - Farey sequence




v matematika, Farey sekvence řádu n je sekvence úplně snížena zlomky, buď mezi 0 a 1, nebo bez tohoto omezení,[A] který když v nejnižších termínech mít jmenovatelé menší nebo rovno n, uspořádané v pořadí podle rostoucí velikosti.
S omezenou definicí začíná každá sekvence Farey hodnotou 0, označenou zlomkem 0/1, a končí hodnotou 1, označenou zlomkem 1/1 (ačkoli někteří autoři tyto pojmy vynechávají).
A Farey sekvence se někdy nazývá Farey série, což není striktně správné, protože termíny nejsou shrnuty.[2]
Příklady
Fareyovy sekvence objednávek 1 až 8 jsou:
- 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 }
Na střed |
---|
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 } |
Seřazeno |
---|
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} |

Vynesením čitatelů proti jmenovatelům Fareyovy posloupnosti získáte tvar jako ten vpravo, zobrazený pro F6.
Odráží-li se tento tvar kolem úhlopříčky a hlavních os, vytvoří se Farey sunburst, je uvedeno níže. Fareyův výbuch pořádku n spojuje viditelné celočíselné body mřížky od počátku ve čtverci na straně 2n, se středem na počátek. Použitím Pickova věta plocha sluneční záře je 4 (|Fn| −1), kde |Fn| je počet zlomků v Fn.

Dějiny
- Historie seriálu Farey je velmi zvědavá - Hardy & Wright (1979)[3]
- ... opět muž, jehož jméno bylo dáno matematickému vztahu, nebyl původním objevitelem, pokud jde o záznamy. - Beiler (1964)[4]
Farey sekvence jsou pojmenovány po britský geolog John Farey, Sr., jehož dopis o těchto sekvencích byl zveřejněn v Filozofický časopis v roce 1816. Farey se domníval, aniž by nabídl důkaz, že každý nový termín v expanzi sekvence Farey je zprostředk jejích sousedů. Fareyův dopis přečetl Cauchy, který poskytl důkaz ve svém Cvičení de mathématique, a tento výsledek připsal Farey. Ve skutečnosti jiný matematik, Charles Haros, zveřejnil podobné výsledky v roce 1802, které nebyly známy ani Fareymu, ani Cauchymu.[4] Byla to tedy historická nehoda, která spojila Fareyovo jméno s těmito sekvencemi. Toto je příklad Stiglerův zákon eponymie.
Vlastnosti


Sekvenční délka a index zlomku
Fareyova sekvence řádu n obsahuje všechny členy Farey sekvencí nižších řádů. Zejména Fn obsahuje všechny členy Fn−1 a také obsahuje další zlomek pro každé číslo, který je menší než n a coprime na n. Tím pádem F6 skládá se z F5 společně s frakcemi 1/6 a 5/6.
Střední termín Fareyovy sekvence Fn je vždy 1/2, pro n > 1. Z toho můžeme spojit délky Fn a Fn−1 použitím Eulerova totientová funkce :
S využitím skutečnosti, že |F1| = 2, můžeme odvodit výraz pro délku Fn:[5]
kde je souhrnný totient.
Také máme :
a a Möbioův inverzní vzorec :
kde µ (d) je číselně-teoretický Möbiova funkce, a je funkce podlahy.
Asymptotické chování |Fn| je :
Index zlomek v sekvenci Farey je prostě pozice, která zabírá v pořadí. To má zvláštní význam, protože se používá v alternativní formulaci Riemannova hypotéza viz níže. Následují různé užitečné vlastnosti:
Index kde a je nejmenší společný násobek první čísla, , darováno:[6]
Farey sousedé
Frakce, které jsou sousedními výrazy v libovolné Farey sekvenci, jsou známé jako Farey pár a mají následující vlastnosti.
Li A/b a C/d jsou sousedé v sekvenci Farey, s A/b < C/d, pak jejich rozdíl C/d − A/b je rovný 1/bd. Je to proto, že každá po sobě jdoucí dvojice racionálních Farey má ekvivalentní plochu 1.[7]
Pokud jsou r1 = p / q a r2 = p '/ q' interpretovány jako vektory (p, q) v rovině x, y, oblast A (p / q, p '/ q') je dána qp ' - q'p. Jakýkoli přidaný zlomek mezi dvěma předchozími po sobě následujícími Farey sekvenčními zlomky se vypočítá jako prostředník (⊕)
A (r1, r1⊕r2) = A (r1, r1) + A (r1, r2) = A (r1, r2) = 1 (protože r1 = 1/0 a r2 = 0/1 musí být jeho plocha jedna) .
Od té doby:
to je ekvivalentní k tomu říkat
- .
Tím pádem 1/3 a 2/5 jsou sousedé v F5a jejich rozdíl je 1/15.
Opak je také pravdivý. Li
pro kladná celá čísla A,b,C a d s A < b a C < d pak A/b a C/d budou sousedé v pořadí Farey pořadí max (b, d).
Li p/q má sousedy A/b a C/d v nějaké Farey sekvenci, s
pak p/q je zprostředk z A/b a C/d - jinými slovy,
To snadno vyplývá z předchozí vlastnosti, protože pokud bp – vod = qc – pd = 1, pak bp + pd = qc + vod, p(b + d) = q(A + C), p/q = A + C/b + d.
Z toho vyplývá, že pokud A/b a C/d jsou sousedé ve Fareyově posloupnosti, pak první člen, který se mezi nimi objeví, když se zvýší pořadí Fareyho posloupnosti, je
který se nejprve objeví v pořadí Farey pořadí b + d.
První výraz se tedy objevuje mezi 1/3 a 2/5 je 3/8, který se objeví v F8.
Celkový počet dvojic sousedů Farey ve Fn je 2 | Fn|-3.
The Stern – Brocotův strom je datová struktura ukazující, jak je sekvence vytvořena z 0 (= 0/1) a 1 (= 1/1), tím, že po sobě jdoucích mediants.
Farey sousedé a pokračující zlomky
Frakce, které se objevují jako sousedé v sekvenci Farey, spolu úzce souvisejí pokračující zlomek expanze. Každá frakce má dvě pokračující expanze frakcí - v jedné je konečný termín 1; v druhém je konečný termín větší než 1. Pokud p/q, který se nejprve objeví v sekvenci Farey Fq, pokračuje v rozšiřování zlomků
- [0; A1, A2, ..., An − 1, An, 1]
- [0; A1, A2, ..., An − 1, An + 1]
pak nejbližší soused p/q v Fq (který bude jeho sousedem s větším jmenovatelem) má pokračující expanzi zlomků
- [0; A1, A2, ..., An]
a jeho další soused má pokračující expanzi zlomků
- [0; A1, A2, ..., An − 1]
Například, 3/8 má dvě pokračující expanze zlomků [0; 2, 1, 1, 1] a [0; 2, 1, 2]a jeho sousedy v F8 jsou 2/5, které lze rozšířit jako [0; 2, 1, 1]; a 1/3, které lze rozšířit jako [0; 2, 1].
Farey zlomky a nejméně běžný násobek
The lcm lze vyjádřit jako součin Fareyových zlomků jako
kde je druhá Čebyševova funkce.[8][9]
Farey zlomky a největší společný dělitel
Protože Eulerova totientová funkce je přímo připojen k gcd tak je počet prvků v Fn,
Pro libovolné 3 frakce Farey A/b, C/d a E/F následující totožnost mezi gcd z 2x2 maticové determinanty v absolutní hodnotě platí:[6]
Aplikace
Farey sekvence jsou velmi užitečné pro nalezení racionálních aproximací iracionálních čísel.[10] Například konstrukce od Eliahou[11] dolní meze délky netriviálních cyklů v 3X+1 proces používá Fareyovy sekvence k výpočtu pokračujícího rozšiřování zlomků číselného protokolu2(3).
Ve fyzických systémech s rezonančními jevy Fareyovy sekvence poskytují velmi elegantní a efektivní metodu pro výpočet rezonančních míst v 1D[12] a 2D.[13]
Farey sekvence jsou prominentní ve studiích plánování cesty v libovolném úhlu na čtvercových buňkách, například při charakterizaci jejich výpočetní složitosti[14] nebo optimality.[15] Spojení lze považovat z hlediska r- omezené cesty, konkrétně cesty složené z úseček, které každý prochází maximálně řádky a maximálně sloupce buněk. Nechat být množinou vektorů takhle , , a , jsou coprime. Nechat být výsledkem reflexe v řadě . Nechat . Pak jakýkoli r- omezenou cestu lze popsat jako posloupnost vektorů z . Mezi nimi je bijekce a Fareyova posloupnost řádu dána mapování do .
Ford kruhy

Existuje souvislost mezi sekvencí Farey a Ford kruhy.
Pro každou frakci p/q (ve svých nejnižších termínech) je Fordův kruh C [p/q], což je kružnice o poloměru 1 / (2q2) a vycentrovat na (p/q, 1/ 2q² ). Dva Fordovy kruhy pro různé frakce jsou buď disjunktní nebo jsou tečna jeden druhému - dva Fordovy kruhy se nikdy neprotínají. Pokud 0 < p/q <1 pak Fordovy kruhy, které jsou tečny k C [p/q] jsou přesně Fordovy kruhy pro zlomky, které sousedí p/q v nějaké Farey sekvenci.
Tím pádem C[2/5] je tečna k C[1/2], C[1/3], C[3/7], C[3/8] atd.
Kruhy Fordu se objevují také v Apollonian těsnění (0,0,1,1). Obrázek níže to ilustruje společně s rezonančními čarami Farey.[16]

Riemannova hypotéza
Farey sekvence se používají ve dvou ekvivalentních formulacích Riemannova hypotéza. Předpokládejme podmínky jsou . Definovat , jinými slovy je rozdíl mezi kth termín nta Fareyova sekvence a kth člen sady stejného počtu bodů, rovnoměrně rozložených na jednotkovém intervalu. V roce 1924 Jérôme Franel[17] prokázal, že prohlášení
je ekvivalentní Riemannově hypotéze, a potom Edmund Landau[18] poznamenal (hned po článku Franel), že prohlášení
je také ekvivalentní Riemannově hypotéze.
Další částky zahrnující Fareyho zlomky
Součet všech Fareyových zlomků řádu n je poloviční počet prvků:
Součet jmenovatelů ve Fareyově posloupnosti je dvojnásobkem součtu čitatelů a vztahuje se k Eulerově totientové funkci:
který předpokládal Harold L. Aaron v roce 1962 a demonstroval Jean A. Blake v roce 1966. Jeden řádkový důkaz domněnky Harolda L. Aarona je následující. Součet čitatelů je . Součet jmenovatelů je. Kvocient prvního součtu k druhému součtu je .
Nechat bj být seřazenými jmenovateli Fn, pak:[19]
a
Nechat Aj/bj j. Fareyův zlomek v Fn, pak
který je předveden v.[20] Také podle tohoto odkazu může být výraz uvnitř součtu vyjádřen mnoha různými způsoby:
získání tak mnoha různých součtů nad prvky Farey se stejným výsledkem. Při použití symetrie kolem 1/2 lze dřívější součet omezit na polovinu posloupnosti jako
The Funkce Mertens lze vyjádřit jako součet přes Farey zlomky jako
- kde je Fareyova posloupnost řádu n.
Tento vzorec se používá v dokladu o Věta Franel – Landau.[21]
Další termín
K vygenerování podmínek existuje překvapivě jednoduchý algoritmus Fn v tradičním pořadí (vzestupně) nebo v netradičním pořadí (sestupně). Algoritmus počítá každou po sobě jdoucí položku z hlediska předchozích dvou položek pomocí výše uvedené vlastnosti mediant. Li A/b a C/d jsou dvě zadané položky a p/q je tedy neznámý další záznam C/d = A + p/b + q. Od té doby C/d je v nejnižších termínech, musí existovat celé číslo k takhle kc = A + p a kd = b + qdávat p = kc − A a q = kd − b. Pokud vezmeme v úvahu p a q být funkcemi k, pak
takže větší k čím blíže p/q dostane se C/d.
Chcete-li dát další termín v pořadí k musí být co největší, s výhradou kd − b ≤ n (protože uvažujeme pouze čísla s jmenovateli ne většími než n), tak k je největší celé číslo ≤n + b/d. Uvedením této hodnoty k zpět do rovnic pro p a q dává
To je implementováno v Krajta jak následuje:
def farey_sequence(n: int, klesající: bool = Nepravdivé) -> Žádný: "" "Vytiskněte n'tou Fareyovu sekvenci. Počítejte buď se stoupáním, nebo sestupováním." " (A, b, C, d) = (0, 1, 1, n) -li klesající: (A, C) = (1, n - 1) tisk("{0}/{1}".formát(A, b)) zatímco (C <= n a ne klesající) nebo (A > 0 a klesající): k = (n + b) // d (A, b, C, d) = (C, d, k * C - A, k * d - b) tisk("{0}/{1}".formát(A, b))
Brute-force hledá řešení Diophantine rovnice v rationals může často využít řady Farey (k hledání pouze redukovaných forem). Řádky označené (*) lze také upravit tak, aby zahrnovaly libovolné dva sousední výrazy tak, aby generovaly výrazy pouze větší (nebo menší) než daný výraz.[22]
Viz také
Poznámky pod čarou
- ^ “Posloupnost všech redukovaných zlomků s jmenovateli nepřesahujícími n, uvedených v pořadí podle jejich velikosti, se nazývá Fareyova posloupnost řádu n.„S komentářem:“Tato definice sekvencí Farey se jeví jako nejvhodnější. Někteří autoři však dávají přednost omezení zlomků na interval od 0 do 1.”- Niven & Zuckerman (1972)[1]
Reference
- ^ Niven, Ivan M.; Zuckerman, Herbert S. (1972). Úvod do teorie čísel (Třetí vydání.). John Wiley and Sons. Definice 6.1.
- ^ Guthery, Scott B. (2011). „1. Mediant“. Motiv matematiky: Historie a aplikace Mediant a Farey sekvence. Boston: Docent Press. str. 7. ISBN 978-1-4538-1057-6. OCLC 1031694495. Citováno 28. září 2020.
- ^ Hardy, G.H.; Wright, E.M. (1979). Úvod do teorie čísel (Páté vydání.). Oxford University Press. Kapitola III. ISBN 0-19-853171-0.
- ^ A b Beiler, Albert H. (1964). Rekreace v teorii čísel (Druhé vydání.). Doveru. Kapitola XVI. ISBN 0-486-21096-0. Citováno v „Farey Series, A Story“. Cut-the-Knot.
- ^ Sloane, N. J. A. (vyd.). „Sequence A005728“. The On-line encyklopedie celočíselných sekvencí. Nadace OEIS.
- ^ A b Tomáš, Rogelio (2018). "Částečné částky Franel". arXiv:1802.07792 [math.NT ].
- ^ Austin, David (prosinec 2008). „Stromy, zuby a čas: Matematika výroby hodin“. Americká matematická společnost. Rhode Island. Archivováno z původního dne 4. února 2020. Citováno 28. září 2020.
- ^ Martin, Greg (2009). "Produkt hodnot gama funkce ve zlomcích se stejným jmenovatelem". arXiv:0907.4384 [matematika ].
- ^ Wehmeier, Stefan (2009). "LCM (1,2, ..., n) jako produkt sinusových hodnot vzorkovaných nad body ve Fareyových posloupnostech". arXiv:0909.1838 [matematika ].
- ^ „Farey Aproximace“. NRICH.maths.org. Archivovány od originál dne 19. listopadu 2018. Citováno 18. listopadu 2018.
- ^ Eliahou, Shalom (srpen 1993). "Problém 3x + 1: nové spodní hranice pro netriviální délky cyklu". Diskrétní matematika. 118 (1–3): 45–56. doi:10.1016 / 0012-365X (93) 90052-U.
- ^ Zhenhua Li, A .; Harter, W.G. (2015). „Kvantová probuzení Morseových oscilátorů a geometrie Farey-Ford“. Chem. Phys. Lett. 633: 208–213. arXiv:1308.4470. doi:10.1016 / j.cplett.2015.05.035.
- ^ Tomas, R. (2014). „Od Fareyových sekvencí po rezonanční diagramy“. Phys. Rev. ST Accel. Nosníky. 17: 014001. doi:10.1103 / PhysRevSTAB.17.014001.
- ^ Harabor, Daniel Damir; Grastien, Alban; Öz, Dindar; Aksakalli, Vural (26. května 2016). „Optimální hledání cesty v libovolném úhlu v praxi“. Journal of Artificial Intelligence Research. 56: 89–118. doi:10.1613 / jair.5007.
- ^ Hew, Patrick Chisan (19. srpna 2017). „Délka nejkratších cest vrcholů v mřížkách binárního obsazení ve srovnání s nejkratšími r-omezenými“. Journal of Artificial Intelligence Research. 59: 543–563. doi:10.1613 / jair.5442.
- ^ Tomáš, Rogelio (2020). "Nedokonalosti a opravy". arXiv:2006.10661 [fyzika ].
- ^ Franel, Jérôme (1924). „Les suites de Farey et le problème des nombres premiers“. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse (ve francouzštině): 198–201.
- ^ Landau, Edmund (1924). „Bemerkungen zu der vorstehenden Abhandlung von Herrn Franel“. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse (v němčině): 202–206.
- ^ Kurt Girstmair; Girstmair, Kurt (2010). "Farey Sums a Dedekind Sums". Americký matematický měsíčník. 117 (1): 72–78. doi:10,4169 / 000298910X475005. JSTOR 10,4169 / 000298910X475005.
- ^ Hall, R. R.; Shiu, P. (2003). „Rejstřík fareové sekvence“. Michigan Math. J. 51 (1): 209–223. doi:10,1307 / mmj / 1049832901.
- ^ Edwards, Harold M. (1974). "12.2 Různé. Riemannova hypotéza a Fareyho řada". v Smith, Paul A.; Ellenberg, Samuel (eds.). Riemannova funkce Zeta. Čistá a aplikovaná matematika. New York: Akademický tisk. 263–267. ISBN 978-0-08-087373-2. OCLC 316553016. Citováno 30. září 2020.
- ^ Routledge, Norman (březen 2008). "Computing Farey series". Matematický věstník. Sv. 92 č. 523. str. 55–62.
Další čtení
- Hatcher, Allen. "Topologie čísel". Matematika. Ithaca, NY: Cornell U.
- Graham, Ronald L.; Knuth, Donald E.; Patashnik, Oren (1989). Betonová matematika: základ pro informatiku (2. vyd.). Boston, MA: Addison-Wesley. str. 115–123, 133–139, 150, 462–463, 523–524. ISBN 0-201-55802-5. - zejména viz §4.5 (str. 115–123), bonusový problém 4,61 (str. 150, 523–524), §4,9 (str. 133–139), §9.3, problém 9.3.6 (str. 462– 463).
- Vepstas, Linas. „Minkowského otazník, GL (2, Z) a modulární skupina“ (PDF). - prohlíží izomorfismy Stern-Brocot Tree.
- Vepstas, Linas. „Symetrie dobově zdvojnásobujících map“ (PDF). - zkontroluje spojení mezi Farey Fractions a Fractals.
- Cobeli, Cristian; Zaharescu, Alexandru (2003). „Haros-Fareyova sekvence za dvě stě let. Průzkum“. Acta Univ. Apulensis Math. Informovat. (5): 1–38. „str. 1–20“ (PDF). Acta Univ. Apulensis. „str. 21–38“ (PDF). Acta Univ. Apulensis.
- Matveev, Andrey O. (2017). Farey Sequences: Duality and Maps Between Subsequences. Berlin, DE: De Gruyter. ISBN 978-3-11-054662-0.
externí odkazy
- Bogomolny, Alexander. "Farey série". Cut-the-Knot.
- Bogomolny, Alexander. "Stern-Brocot Tree". Cut-the-Knot.
- Pennestri, Ettore. „Brocotový stůl se základnou 120“.
- "Farey série", Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS, 2001 [1994]
- Weisstein, Eric W. "Stern-Brocot Tree". MathWorld.
- OEIS posloupnost A005728 (počet zlomků ve Fareyově řadě řádu n)
- OEIS posloupnost A006842 (čitatelé Fareyovy řady řádu n)
- OEIS posloupnost A006843 (Denominátoři Fareyovy řady řádu n)
- Bonahon, Francis. Legrační zlomky a Fordovy kruhy (video). Brady Haran. Citováno 9. června 2015 - přes YouTube.