Pell číslo - Pell number

v matematika, Pell čísla jsou nekoneční sekvence z celá čísla, známé od starověku, které tvoří jmenovatelé z nejbližší racionální aproximace do druhá odmocnina ze 2. Tato posloupnost aproximací začíná 1/1, 3/2, 7/5, 17/12, a 41/29, takže posloupnost čísel Pell začíná 1, 2, 5, 12 a 29. Čitateli stejné posloupnosti aproximací jsou polovina doprovodná čísla Pell nebo Čísla Pell – Lucas; tato čísla tvoří druhou nekonečnou sekvenci, která začíná 2, 6, 14, 34 a 82.
Jak čísla Pell, tak doprovodná čísla Pell lze vypočítat pomocí a relace opakování podobný tomu pro Fibonacciho čísla a obě posloupnosti čísel rostou exponenciálně, úměrně k pravomocím poměr stříbra 1 + √2. Kromě použití k přiblížení druhé odmocniny dvou lze k nalezení použít čísla Pell čtvercová trojúhelníková čísla, k vytvoření celočíselných aproximací k pravý rovnoramenný trojúhelník, a vyřešit jisté kombinatorický výčet problémy.[1]
Stejně jako u Pellova rovnice, název čísel Pell pochází Leonhard Euler chybné přiřazení rovnice a čísel z ní odvozených do John Pell. Čísla Pell – Lucas jsou také pojmenována Édouard Lucas, kteří studovali sekvence definované opakováním tohoto typu; čísla Pell a doprovodných Pell jsou Lucasovy sekvence.
Pell čísla
Čísla Pell jsou definována pomocí relace opakování:
Slovem, posloupnost čísel Pell začíná na 0 a 1, a pak každé číslo Pell je součet dvojnásobku předchozího čísla Pell a čísla Pell před tím. Prvních několik termínů sekvence je
Čísla Pell lze také vyjádřit vzorcem uzavřeného formuláře
Pro velké hodnoty n, (1 + √2)n výraz dominuje tomuto výrazu, takže čísla Pell jsou přibližně úměrná mocninám poměr stříbra 1 + √2, analogický s tempem růstu Fibonacciho čísel jako mocností Zlatý řez.
Třetí definice je možná z matice vzorec
Z těchto definic lze odvodit nebo dokázat mnoho identit; například identita analogická k Cassiniho identita pro Fibonacciho čísla,
je okamžitým důsledkem maticového vzorce (zjištěno zvážením determinanty matic na levé a pravé straně maticového vzorce).[2]
Aproximace druhé odmocniny dvou

Čísla Pell vznikají historicky a zejména v EU racionální aproximace na √2. Pokud dvě velká celá čísla X a y vytvořit řešení Pellova rovnice
pak jejich poměr X/y poskytuje blízké přiblížení k √2. Posloupnost aproximací tohoto tvaru je
kde jmenovatelem každé frakce je číslo Pell a čitatel je součet čísla Pell a jeho předchůdce v pořadí. To znamená, že řešení mají formu
Aproximace
tohoto typu poznali indičtí matematici ve třetím nebo čtvrtém století př. n. l.[3] Řeckí matematici v pátém století př. N. L. také věděl o této posloupnosti aproximací:[4] Platón označuje čitatele jako racionální průměry.[5] Ve 2. století n. L Theon of Smyrna používal termín čísla stran a průměrů popsat jmenovatele a čitatele této posloupnosti.[6]
Tyto aproximace lze odvodit z pokračující zlomek expanze :
Zkrácení této expanze na libovolný počet výrazů vytvoří v této sekvenci jednu z aproximací založených na Pell-čísle; například,
Jak popisuje Knuth (1994), skutečnost, že čísla Pell se přibližují √2 umožňuje, aby byly použity k přesnému racionálnímu přiblížení k pravidelnému osmiúhelník se souřadnicemi vrcholů (±Pi, ±Pi+1) a (±Pi+1, ±Pi). Všechny vrcholy jsou stejně vzdálené od počátku a tvoří téměř rovnoměrné úhly kolem počátku. Alternativně body , , a tvoří přibližné osmiúhelníky, ve kterých jsou vrcholy téměř stejně vzdálené od počátku a tvoří jednotné úhly.
Prvočísla a čtverce
A Pell prime je číslo Pell, které je primární. Prvních pár Pell prvočísel je
- 2, 5, 29, 5741, 33461, 44560482149, 1746860020068409, 68480406462161287469, ... (sekvence A086383 v OEIS ).
Indexy těchto prvočísel v posloupnosti všech čísel Pell jsou
- 2, 3, 5, 11, 13, 29, 41, 53, 59, 89, 97, 101, 167, 181, 191, 523, 929, 1217, 1301, 1361, 2087, 2273, 2393, 8093, .. (sekvence A096650 v OEIS )
Tyto indexy jsou samy o sobě prvočíslem. Stejně jako u čísel Fibonacci, číslo Pell Pn může být hlavní, pouze pokud n sama o sobě je hlavní, protože pokud d je dělitel n pak Pd je dělitel Pn.
Jediná čísla Pell, která jsou čtverce, kostky nebo jakákoli vyšší síla celého čísla, jsou 0, 1 a 169 = 132.[7]
Navzdory tomu, že má tak málo čtverců nebo jiné síly, mají čísla Pell úzké spojení s čtvercová trojúhelníková čísla.[8] Konkrétně tato čísla vyplývají z následující identity čísel Pell:
Levá strana této identity popisuje a číslo umocněné na druhou, zatímco pravá strana popisuje a trojúhelníkové číslo, takže výsledkem je čtvercové trojúhelníkové číslo.
Santana a Diaz-Barrero (2006) prokázali další identitu vztahující se k číslům Pell na čtverce a ukazující, že součet čísel Pell až P4n+1 je vždy čtverec:
Například součet čísel Pell až P5, 0 + 1 + 2 + 5 + 12 + 29 = 49, je čtverec P2 + P3 = 2 + 5 = 7. Čísla P2n + P2n+1 tvoří druhé odmocniny těchto součtů,
jsou známé jako Newman – Shanks – Williams (NSW).
Pytagorejské trojnásobky

Pokud pravoúhlý trojuhelník má celočíselné délky na straně A, b, C (nutně uspokojující Pythagorova věta A2 + b2 = C2), pak (A,b,C) je znám jako a Pytagorejský trojnásobek. Jak popisuje Martin (1875), čísla Pell lze použít k vytvoření Pythagorových trojic, ve kterých A a b jsou jedna jednotka od sebe, což odpovídá pravoúhlým trojúhelníkům, které jsou téměř rovnoramenné. Každá taková trojice má formu
Sekvence takto vytvořených Pytagorových trojic je
- (4,3,5), (20,21,29), (120,119,169), (696,697,985),…
Čísla Pell – Lucas
The doprovodná čísla Pell nebo Čísla Pell – Lucas jsou definovány relace opakování
Slovy: první dvě čísla v sekvenci jsou obě 2 a každé následující číslo je tvořeno přidáním dvojnásobku předchozího čísla Pell – Lucas k číslu Pell – Lucas před tím, nebo ekvivalentně přidáním dalšího čísla Pell k předchozímu Číslo Pell: 82 je tedy společníkem 29 a 82 = 2 × 34 + 14 = 70 + 12. Prvních několik výrazů posloupnosti je (posloupnost A002203 v OEIS ): 2, 2, 6, 14, 34, 82, 198, 478,…
Jako vztah mezi Fibonacciho čísla a Lucasova čísla,
pro všechna přirozená čísla n.
Doprovodná čísla Pell lze vyjádřit vzorcem uzavřeného formuláře
Všechna čísla jsou sudá; každé takové číslo je dvakrát čitatelem v jedné z racionálních aproximací na diskutováno výše.
Stejně jako Lucasova sekvence, pokud je to číslo Pell – Lucas 1/2Qn je prvočíslo, je nutné, aby n bylo buď prvočíslo, nebo síla 2. Pell – Lucasova prvočísla jsou
Pro tyto n jsou
Výpočty a připojení
Následující tabulka uvádí prvních několik pravomocí poměr stříbra δ = δS = 1 + √2 a jeho konjugát δ = 1 − √2.
n (1 + √2)n (1 − √2)n 0 1 + 0√2 = 1 1 − 0√2 = 1 1 1 + 1√2 = 2.41421… 1 − 1√2 = −0.41421… 2 3 + 2√2 = 5.82842… 3 − 2√2 = 0.17157… 3 7 + 5√2 = 14.07106… 7 − 5√2 = −0.07106… 4 17 + 12√2 = 33.97056… 17 − 12√2 = 0.02943… 5 41 + 29√2 = 82.01219… 41 − 29√2 = −0.01219… 6 99 + 70√2 = 197.9949… 99 − 70√2 = 0.0050… 7 239 + 169√2 = 478.00209… 239 − 169√2 = −0.00209… 8 577 + 408√2 = 1153.99913… 577 − 408√2 = 0.00086… 9 1393 + 985√2 = 2786.00035… 1393 − 985√2 = −0.00035… 10 3363 + 2378√2 = 6725.99985… 3363 − 2378√2 = 0.00014… 11 8119 + 5741√2 = 16238.00006… 8119 − 5741√2 = −0.00006… 12 19601 + 13860√2 = 39201.99997… 19601 − 13860√2 = 0.00002…
Koeficienty jsou čísla Pell s polovičním doprovodem Hn a čísla Pell Pn což jsou (nezáporná) řešení H2 − 2P2 = ±1.A čtvercové trojúhelníkové číslo je číslo
což je jak tth trojúhelníkové číslo a sčíslo čtverce. A téměř rovnoramenný pythagorovský trojnásobek je celočíselné řešení A2 + b2 = C2 kde A + 1 = b.
Následující tabulka ukazuje, že rozdělení lichého čísla Hn na téměř stejné poloviny dává čtvercové trojúhelníkové číslo, když n je sudý a blízký rovnoramenný Pythagorův trojnásobek, když n je liché. Všechna řešení vznikají tímto způsobem.
n Hn Pn t t + 1 s A b C 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 2 3 2 1 2 1 3 7 5 3 4 5 4 17 12 8 9 6 5 41 29 20 21 29 6 99 70 49 50 35 7 239 169 119 120 169 8 577 408 288 289 204 9 1393 985 696 697 985 10 3363 2378 1681 1682 1189 11 8119 5741 4059 4060 5741 12 19601 13860 9800 9801 6930
Definice
Poloviční společník Pell čísla Hn a čísla Pell Pn lze odvodit mnoha snadno ekvivalentními způsoby.
Zvyšování moci
Z toho vyplývá, že existují uzavřené formy:
a
Spárované opakování
Maticové formulace
Tak
Aproximace
Rozdíl mezi Hn a Pn√2 je
který jde rychle na nulu. Tak
je extrémně blízko 2Hn.
Z tohoto posledního pozorování vyplývá, že celočíselné poměry Hn/Pn rychle se přiblížit √2; a Hn/Hn−1 a Pn/Pn−1 rychle se přiblížit 1 +√2.
H2 − 2P2 = ±1
Od té doby √2 je iracionální, to nemůžeme mít H/P = √2, tj.,
To nejlepší, čeho můžeme dosáhnout, je buď
(Nezáporná) řešení H2 − 2P2 = 1 jsou přesně páry (Hn, Pn) s n dokonce a řešení H2 − 2P2 = −1 jsou přesně páry (Hn, Pn) s n zvláštní. Nejprve si to všimněte
takže tyto rozdíly, počínaje H2
0 − 2P2
0 = 1, jsou střídavě 1 a -1. Pak si všimněte, že každé pozitivní řešení pochází tímto způsobem z řešení s menšími celými čísly od té doby
Menší řešení má také kladná celá čísla, s jedinou výjimkou: H = P = 1 ze kterého pochází H0 = 1 a P0 = 0.
Čtvercová trojúhelníková čísla
Požadovaná rovnice
odpovídá:který se stává H2 = 2P2 + 1 se substitucemi H = 2t + 1 a P = 2s. Proto ntoto řešení je
Dodržujte to t a t +1 jsou relativně nejlepší, takže t(t + 1)/2 = s2 stane se přesně, když jsou sousední celá čísla, jedno na čtverec H2 a druhá dvakrát čtvereční 2P2. Jelikož známe všechna řešení této rovnice, máme také
a
Tento alternativní výraz je uveden v následující tabulce.
n Hn Pn t t + 1 s A b C 0 1 0 1 1 1 1 2 1 3 4 5 2 3 2 8 9 6 20 21 29 3 7 5 49 50 35 119 120 169 4 17 12 288 289 204 696 697 985 5 41 29 1681 1682 1189 4059 4060 5741 6 99 70 9800 9801 6930 23660 23661 33461
Pytagorejské trojnásobky
Rovnost C2 = A2 + (A + 1)2 = 2A2 + 2A + 1 nastane přesně kdy 2C2 = 4A2 + 4A + 2 který se stává 2P2 = H2 + 1 se substitucemi H = 2A + 1 a P = C. Proto ntoto řešení je An = H2n+1 − 1/2 a Cn = P2n+1.
Tabulka výše ukazuje, že v jednom či druhém pořadí An a bn = An + 1 jsou HnHn+1 a 2PnPn+1 zatímco Cn = Hn+1Pn + Pn+1Hn.
Poznámky
- ^ Například Sellers (2002) dokazuje, že počet perfektní párování v kartézský součin a graf cesty a graf K.4 − E lze vypočítat jako součin čísla Pell s odpovídajícím Fibonacciho číslem.
- ^ Maticový vzorec a jeho důsledky viz Ercolano (1979) a Kilic a Tasci (2005). Další identity pro čísla Pell uvádí Horadam (1971) a Bicknell (1975).
- ^ Jak je zaznamenáno v Shulba Sutras; viz např. Dutka (1986), který pro tuto informaci uvádí Thibauta (1875).
- ^ K datu pátého století, které se shoduje, viz Knorr (1976) Proclus "tvrdí, že čísla stran a průměrů objevila Pytagorejci. Pro podrobnější zkoumání pozdějších řeckých znalostí o těchto číslech viz Thompson (1929), Vedova (1951), Ridenhour (1986), Knorr (1998) a Filep (1999).
- ^ Například, jak uvádí několik odkazů z předchozí poznámky, v Platónova republika existuje odkaz na "racionální průměr 5", kterým Platón znamená 7, čitatel aproximace 7/5 z toho 5 je jmenovatel.
- ^ Heath, pane Thomase Little (1921), Dějiny řecké matematiky: Od Thalese po Euklida Publikace Courier Dover, s. 112, ISBN 9780486240732.
- ^ Pethő (1992); Cohn (1996). Ačkoliv Fibonacciho čísla jsou definovány velmi podobným opakováním jako čísla Pell, Cohn píše, že analogický výsledek pro čísla Fibonacci se zdá být mnohem obtížnější prokázat. (To však v roce 2006 prokázali Bugeaud et al.)
- ^ Sesskin (1962). Viz čtvercové trojúhelníkové číslo článek pro podrobnější odvození.
Reference
- Bicknell, Marjorie (1975). "Primer na Pell sekvenci a souvisejících sekvencích". Fibonacci čtvrtletně. 13 (4): 345–349. PAN 0387173.
- Cohn, J. H. E. (1996). "Perfect Pell pravomoci". Glasgow Mathematical Journal. 38 (1): 19–20. doi:10.1017 / S0017089500031207. PAN 1373953.
- Dutka, Jacques (1986). "O odmocninách a jejich reprezentacích". Archiv pro historii přesných věd. 36 (1): 21–39. doi:10.1007 / BF00357439. PAN 0863340.
- Ercolano, Joseph (1979). "Maticové generátory Pellových sekvencí". Fibonacci čtvrtletně. 17 (1): 71–77. PAN 0525602.
- Filep, László (1999). "Pythagorova strana a diagonální čísla" (PDF). Acta Mathematica Academiae Paedagogicae Nyíregyháziensis. 15: 1–7.
- Horadam, A. F. (1971). "Pell identity". Fibonacci čtvrtletně. 9 (3): 245–252, 263. PAN 0308029.
- Kilic, Emrah; Tasci, Dursun (2005). Msgstr "Lineární algebra Pellovy matice". Boletín de la Sociedad Matemática Mexicana, Tercera Serie. 11 (2): 163–174. PAN 2207722.
- Knorr, Wilbur (1976). "Archimedes a měření kruhu: nová interpretace". Archiv pro historii přesných věd. 15 (2): 115–140. doi:10.1007 / BF00348496. PAN 0497462.
- Knorr, Wilbur (1998). ""Racionální průměry „a objev nesouměřitelnosti“. Americký matematický měsíčník. 105 (5): 421–429. doi:10.2307/3109803. JSTOR 3109803.
- Knuth, Donald E. (1994). "Leaper grafy". Matematický věstník. 78 (483): 274–297. arXiv:math.CO/9411240. doi:10.2307/3620202. JSTOR 3620202.
- Martin, Artemas (1875). "Racionální pravoúhlé trojúhelníky téměř rovnoramenné". Analytik. 3 (2): 47–50. doi:10.2307/2635906. JSTOR 2635906.
- Pethő, A. (1992). "Pellova sekvence obsahuje pouze triviální dokonalé síly". Soupravy, grafy a čísla (Budapest, 1991). Colloq. Matematika. Soc. János Bolyai, 60 let, Severní Holandsko. 561–568. PAN 1218218.
- Ridenhour, J. R. (1986). "Aproximace iracionálních čísel žebříku" Matematický časopis. 59 (2): 95–105. doi:10.2307/2690427. JSTOR 2690427.
- Santana, S. F .; Diaz-Barrero, J. L. (2006). "Některé vlastnosti součtů zahrnujících čísla Pell" (PDF). Missouri Journal of Mathematical Sciences. 18 (1). Archivovány od originál (PDF) dne 08.05.2007.
- Sellers, James A. (2002). „Domino obklady a výrobky z Fibonacciho a Pellova čísla“ (PDF). Journal of Integer Sequences. 5. PAN 1919941.
- Sesskin, Sam (1962). „Konverzace“ k Fermatově poslední větě? “. Matematický časopis. 35 (4): 215–217. doi:10.2307/2688551. JSTOR 2688551.
- Thibaut, Georgi (1875). "Na Súlvasútras". Journal of the Royal Asiatic Society of Bengal. 44: 227–275.
- Thompson, D'Arcy Wentworth (1929). „III. — Přebytek a vada: nebo trochu víc a trochu méně“. Mysl. Nová řada. 38 (149): 43–55. JSTOR 2249223.
- Vedova, G. C. (1951). „Poznámky k Theonovi ze Smyrny“. Americký matematický měsíčník. 58 (10): 675–683. doi:10.2307/2307978. JSTOR 2307978.
externí odkazy
- Weisstein, Eric W. „Pell Number“. MathWorld.
- OEIS posloupnost A001333 (čitatele konvergentů pokračujících zlomků na sqrt (2)) —Čitatelé stejné posloupnosti aproximací