Номер Пелла
В математике числа Пелла представляют собой бесконечную последовательность целых чисел , известную с древних времен, которые составляют знаменатели ближайших рациональных приближений к квадратному корню из 2 . Эта последовательность приближений начинается 1 / 1 , 3 / 2 , 7 / 5 , 17/12 и 41/29 сопутствующих чисел , поэтому последовательность чисел Пелля начинается с 1, 2, 5, 12 и 29. Числители той же последовательности приближений составляют половину Пелла или чисел Пелла – Люкаса ; эти числа образуют вторую бесконечную последовательность, которая начинается с 2, 6, 14, 34 и 82.
И числа Пелла, и сопутствующие числа Пелла могут быть вычислены с помощью рекуррентного соотношения, аналогичного соотношению для чисел Фибоначчи , и обе последовательности чисел растут экспоненциально , пропорционально степеням отношения серебра 1 + √ 2 . Числа Пелла не только используются для приближения квадратного корня из двух, но и для поиска квадратно-треугольных чисел , для построения целочисленных приближений к прямоугольному равнобедренному треугольнику и для решения некоторых перечисления . комбинаторных задач [1]
Как и в случае с уравнением Пелла , название чисел Пелла происходит от ошибочного приписывания Леонардом Эйлером уравнения и выведенных из него чисел Джону Пеллу . Числа Пелла-Люкаса также названы в честь Эдуарда Лукаса , который изучал последовательности, определяемые повторениями этого типа; числа Пелла и сопутствующие числа Пелла являются последовательностями Люка .
Номера Пелла [ править ]
Числа Пелла определяются рекуррентным соотношением :
Проще говоря, последовательность чисел Пелла начинается с 0 и 1, а затем каждое число Пелла представляет собой сумму удвоенного числа предыдущего числа Пелла и числа Пелла перед ним. Первые несколько членов последовательности:
Аналогично формуле Бине числа Пелла также можно выразить формулой замкнутой формы
Для больших значений n ( 1 + √ 2 ) н В этом выражении доминирует член, поэтому числа Пелла примерно пропорциональны степеням серебряного сечения 1 + √ 2 , что аналогично скорости роста чисел Фибоначчи как степеней золотого сечения .
Возможно третье определение из матричной формулы
многие личности можно вывести или доказать На основе этих определений ; например, тождество, аналогичное тождеству Кассини для чисел Фибоначчи,
является непосредственным следствием матричной формулы (находится путем рассмотрения определителей матриц в левой и правой частях матричной формулы). [2]
Приближение к квадратному корню из двух [ править ]
Числа Пелла возникают исторически и особенно в рациональном приближении к √ 2 . Если два больших целых числа x и y образуют решение уравнения Пелля
тогда их соотношение x / y обеспечивает близкое приближение к √ 2 . Последовательность аппроксимаций этого вида такова:
где знаменатель каждой дроби представляет собой число Пелла, а числитель представляет собой сумму числа Пелла и его предшественника в последовательности. То есть решения имеют вид
Приближение
этот тип был известен индийским математикам в третьем или четвертом веке до нашей эры. [3] Греческие математики пятого века до нашей эры также знали об этой последовательности приближений: [4] Платон называет числители рациональными диаметрами . [5] Во втором веке нашей эры Теон из Смирны использовал термин « числа сторон и диаметров» для описания знаменателей и числителей этой последовательности. [6]
Эти приближения могут быть получены из цепных дробей разложения :
Усечение этого разложения до любого количества членов дает одно из приближений этой последовательности на основе чисел Пелла; например,
Как описывает Кнут (1994), тот факт, что числа Пелля приближаются к √ 2, позволяет использовать их для точных рациональных приближений к правильному восьмиугольнику с координатами вершин Pi , ± Pi +1 ( ) и ( ± Pi ± +1 , ± П я ) . Все вершины одинаково удалены от начала координат и образуют почти одинаковые углы вокруг начала координат. Альтернативно, точки , , и образуют приблизительные восьмиугольники, в которых вершины почти одинаково удалены от начала координат и образуют одинаковые углы.
Простые числа и квадраты [ править ]
Простое число Пелла — это число Пелла, которое является простым . Первые несколько простых чисел Пелла равны
- 2, 5, 29, 5741, 33461, 44560482149, 1746860020068409, 68480406462161287469, ... (последовательность A086383 в OEIS ).
Индексы этих простых чисел в последовательности всех чисел Пелла равны
- 2, 3, 5, 11, 13, 29, 41, 53, 59, 89, 97, 101, 167, 181, 191, 523, 929, 1217, 1301, 1361, 2087, 2273, 2393, 8093, .. (последовательность A096650 в OEIS )
Все эти индексы сами по себе являются простыми. Как и в случае с числами Фибоначчи, число Пелля P n может быть простым только в том случае, если n само является простым, потому что, если d является делителем n , то P d является делителем P n .
Единственные числа Пелла, которые являются квадратами , кубами или целыми числами более высокой степени, — это 0, 1 и 169 = 13. 2 . [7]
Однако, несмотря на небольшое количество квадратов и других степеней, числа Пелла тесно связаны с квадратно-треугольными числами . [8] В частности, эти числа возникают из следующего тождества чисел Пелля:
Левая часть этого тождества описывает квадратное число, а правая — треугольное число , поэтому результатом является квадратное треугольное число.
Фалькон и Диас-Барреро (2006) доказали еще одно тождество, связав числа Пелля с квадратами и показав, что сумма чисел Пелля до P 4 n +1 всегда является квадратом:
Например, сумма чисел Пелля до P 5 , 0 + 1 + 2 + 5 + 12 + 29 = 49 , представляет собой квадрат P 2 + P 3 = 2 + 5 = 7 . Числа P 2 n + P 2 n +1, образующие квадратные корни из этих сумм,
известны как числа Ньюмана-Шенкса-Вильямса (НЮУ) .
Пифагоровы тройки [ править ]
Если прямоугольный треугольник имеет целые длины сторон a , b , c (обязательно удовлетворяющие теореме Пифагора a 2 + б 2 = с 2 ), то ( a , b , c ) называется тройкой Пифагора . Как описывает Мартин (1875), числа Пелла можно использовать для формирования пифагоровых троек, в которых a и b отстоят друг от друга на одну единицу, что соответствует почти равнобедренным прямоугольным треугольникам. Каждая такая тройка имеет вид
Образованная таким образом последовательность пифагорейских троек имеет вид
- (4,3,5), (20,21,29), (120,119,169), (696,697,985), …
Числа Пелла–Лукаса [ править ]
Сопутствующие числа Пелла или числа Пела – Люкаса определяются рекуррентным соотношением
Другими словами: первые два числа в последовательности равны 2, и каждое последующее число образуется путем двойного прибавления предыдущего числа Пелла-Лукаса к числу Пелла-Лукаса перед этим или, что то же самое, путем добавления следующего числа Пелла к предыдущему. Число Пелла: таким образом, 82 соответствует 29, а 82 = 2 × 34 + 14 = 70 + 12. Первые несколько членов последовательности (последовательность A002203 в OEIS ): 2 , 2, 6 , 14 , 34. , 82 , 198 , 478 , …
Подобно взаимосвязи между числами Фибоначчи и числами Люка ,
для всех натуральных чисел n .
Сопутствующие числа Пелла могут быть выражены формулой замкнутой формы
Все эти числа четные ; каждое такое число в два раза больше числителя в одном из рациональных приближений к обсуждалось выше.
Как и последовательность Лукаса, если число Пелля-Люкаса 1/2 n было Q n простое число, необходимо, чтобы либо простым числом, либо степенью 2 . Простые числа Пелла – Лукаса:
Для n этих
Вычисления и связи [ править ]
В следующей таблице приведены первые несколько степеней отношения серебра δ = δ S = 1 + √ 2 и его сопряженного δ = 1 − √ 2 .
н (1 + √ 2 ) н (1 − √ 2 ) н 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…
Коэффициенты представляют собой полукомпаньонные числа Пелля H n и числа Пелля P n, которые являются (неотрицательными) решениями H 2 − 2 П 2 = ±1 . – Квадратно-треугольное число это число
которое одновременно является t -м треугольным числом и s -м квадратным числом. Почти равнобедренная тройка Пифагора является целочисленным решением задачи 2 + б 2 = с 2 где а + 1 = б .
В следующей таблице показано, что разделение нечетного числа H n на почти равные половины дает квадратно-треугольное число, когда n четное, и почти равнобедренную пифагорову тройку, когда n нечетное. Все решения возникают таким образом.
н Ч н П н т т + 1 с а б с 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
Определения [ править ]
Полукомпаньонные числа Пелля H n и числа Пелля P n могут быть получены несколькими легко эквивалентными способами.
Возведение в полномочия [ править ]
Отсюда следует, что существуют закрытые формы :
и
Парные рецидивы [ править ]
Формулы взаимной рекуррентности [ править ]
Пусть n будет не менее 2.
формулировки Матричные
Так
Приближения [ править ]
Разница между H n и P n √ 2 составляет
который быстро стремится к нулю. Так
чрезвычайно близок к 2 H n .
Из этого последнего наблюдения следует, что целочисленные отношения H n / P n быстро приближается к √ 2 ; и H n / H n -1 и P n / P n −1 быстро приближается к 1 + √ 2 .
ЧАС 2 − 2 П 2 = ±1 [ править ]
Поскольку √ 2 иррационально, мы не можем иметь H / P = √ 2 , т. е.
Лучшее, чего мы можем достичь, это либо
(Неотрицательные) решения H 2 − 2 П 2 = 1 — это в точности пары ( H n , P n ) с четным n и решения H 2 − 2 П 2 = −1 — это в точности пары ( H n , P n ) с n нечетным. Чтобы увидеть это, сначала заметьте, что
так что эти различия, начиная с H 2
0 - 2 П 2
0 = 1 , попеременно 1 и −1. Затем обратите внимание, что каждое положительное решение получается таким образом из решения с меньшими целыми числами, поскольку
Меньшее решение также имеет целые положительные числа, за одним исключением: H = P = 1 , которое происходит от H 0 = 1 и P 0 = 0.
Квадратные треугольные числа [ править ]
Требуемое уравнение
эквивалентно который становится H 2 = 2 П 2 + 1 с заменами H = 2 t + 1 и P = 2 s . Следовательно, n -е решение есть
Заметим, что t и t + 1 взаимно простые, так что т ( т + 1) / 2 = с 2 происходит именно тогда, когда они являются соседними целыми числами, одно из которых представляет собой квадрат H 2 а другой дважды квадрат 2 П 2 . Поскольку мы знаем все решения этого уравнения, мы также имеем
и
Это альтернативное выражение показано в следующей таблице.
н Ч н П н т т + 1 с а б с 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
Пифагоровы тройки [ править ]
Равенство c 2 = а 2 + ( а + 1) 2 = 2 а 2 + 2 a + 1 происходит именно тогда, когда 2 c 2 = 4 а 2 + 4 a + 2, что становится 2 P 2 = Ч 2 + 1 с заменами H = 2 a + 1 и P = c . Следовательно, -е решение есть n = n ЧАС 2 п +1 - 1 / 2 и c п знак равно п 2 п +1 .
В таблице выше показано, что в том или ином порядке a n и b n = a n + 1 равны H n H n +1 и 2 P n P n +1, тогда как c n = H n +1 P n + P п +1 Ч н .
Примечания [ править ]
- ^ Например, Селлерс (2002) доказывает, что количество идеальных паросочетаний в декартовом произведении графа путей и графа K 4 - e можно вычислить как произведение числа Пелла на соответствующее число Фибоначчи.
- ^ О матричной формуле и ее последствиях см. Ercolano (1979) и Kilic and Tasci (2005). Дополнительные идентификаторы чисел Пелла перечислены Хорадамом (1971) и Бикнеллом (1975).
- ^ Как записано в Шульба-сутрах ; см., например, Дутка (1986), который цитирует Тибо (1875) для получения этой информации.
- ^ См. Knorr (1976) для даты V века, которая соответствует утверждению Прокла о том, что числа сторон и диаметров были открыты пифагорейцами . Более подробное исследование более поздних греческих знаний об этих числах см. в Thompson (1929), Vedova (1951), Ridenhour (1986), Knorr (1998) и Filep (1999).
- ^ Например, как отмечается в некоторых ссылках из предыдущей заметки, в « Государстве Платона » есть ссылка на «рациональный диаметр 5», под которым Платон имеет в виду 7, числитель приближения. 7/5 из которых 5 является знаменателем.
- ^ Хит, сэр Томас Литтл (1921), История греческой математики: от Фалеса до Евклида , Courier Dover Publications, стр. 112, ISBN 9780486240732 .
- ^ Пето (1992); Кон (1996). Хотя числа Фибоначчи определяются по принципу повторяемости, очень похожему на числа Пелла, Кон пишет, что аналогичный результат для чисел Фибоначчи доказать гораздо труднее. (Однако это было доказано в 2006 году Бюжо и др.)
- ^ Сесскин (1962). о квадратно-треугольных числах . Более подробный вывод см. В статье
Ссылки [ править ]
- Бикнелл, Марджори (1975). «Праймер по последовательности Пелла и родственным последовательностям». Ежеквартальный журнал Фибоначчи . 13 (4): 345–349. МР 0387173 .
- Кон, JHE (1996). «Совершенные силы Пелла» . Математический журнал Глазго . 38 (1): 19–20. дои : 10.1017/S0017089500031207 . МР 1373953 .
- Дутка, Жак (1986). «О квадратных корнях и их представлениях». Архив истории точных наук . 36 (1): 21–39. дои : 10.1007/BF00357439 . МР 0863340 . S2CID 122277481 .
- Эрколано, Джозеф (1979). «Матричные генераторы последовательностей Пелла». Ежеквартальный журнал Фибоначчи . 17 (1): 71–77. МР 0525602 .
- Филип, Ласло (1999). «Числа по сторонам и диагонали Пифагора» (PDF ) Образовательная академия Acta Mathematica Ньиредьхазиенсис 15 : 1–7. Архивировано из оригинала (PDF) 0 июля 2020 г. Проверено 2 января 2007 г.
- Хорадам, А.Ф. (1971). «Личность Пелла». Ежеквартальный журнал Фибоначчи . 9 (3): 245–252, 263. МР 0308029 .
- Килич, Эмра; Таши, Дурсун (2005). «Линейная алгебра матрицы Пелля». Бюллетень Мексиканского математического общества, третья серия . 11 (2): 163–174. МР 2207722 .
- Норр, Уилбур (1976). «Архимед и измерение круга: новая интерпретация». Архив истории точных наук . 15 (2): 115–140. дои : 10.1007/BF00348496 . МР 0497462 . S2CID 120954547 .
- Норр, Уилбур (1998). « «Рациональные диаметры» и открытие несоизмеримости». Американский математический ежемесячник . 105 (5): 421–429. дои : 10.2307/3109803 . JSTOR 3109803 .
- Кнут, Дональд Э. (1994). «Прыгающие графы». Математический вестник . 78 (483): 274–297. arXiv : math.CO/9411240 . Бибкод : 1994math.....11240K . дои : 10.2307/3620202 . JSTOR 3620202 . S2CID 16856513 .
- Мартин, Артемас (1875). «Рациональные прямоугольные треугольники, почти равнобедренные». Аналитик . 3 (2): 47–50. дои : 10.2307/2635906 . JSTOR 2635906 .
- Пето, А. (1992). «Последовательность Пелла содержит только тривиальные совершенные степени». Множества, графы и числа (Будапешт, 1991) . Коллок. Математика. Соц. Янош Бояи, 60 лет, Северная Голландия. стр. 561–568. МР 1218218 .
- Риденхур, младший (1986). «Лестничная аппроксимация иррациональных чисел». Журнал «Математика» . 59 (2): 95–105. дои : 10.2307/2690427 . JSTOR 2690427 .
- Сокол Сантана, Серджио; Диас-Барреро, Хосе Луис (2006). «Некоторые свойства сумм, включающих числа Пелла» . Миссурийский журнал математических наук . 18 (1). дои : 10.35834/2006/1801033 . hdl : 10553/72698 .
- Селлерс, Джеймс А. (2002). «Разбиения домино и произведения чисел Фибоначчи и Пелла» (PDF) . Журнал целочисленных последовательностей . 5 : 12. Бибкод : 2002JIntS...5...12S . МР 1919941 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 июля 2020 г. Проверено 28 января 2007 г.
- Сесскин, Сэм (1962). «Обращение» к последней теореме Ферма?». Журнал «Математика» . 35 (4): 215–217. дои : 10.2307/2688551 . JSTOR 2688551 .
- Тибо, Джордж (1875). «О Сулвасутрах». Журнал Королевского азиатского общества Бенгалии . 44 : 227–275.
- Томпсон, Д'Арси Вентворт (1929). «III. — Избыток и недостаток: или немного больше и немного меньше». Разум . Новая серия. 38 (149): 43–55. дои : 10.1093/mind/XXXVII.149.43 . JSTOR 2249223 .
- Ведова, Г.Ц. (1951). «Заметки о Теоне Смирнском». Американский математический ежемесячник . 58 (10): 675–683. дои : 10.2307/2307978 . JSTOR 2307978 .
Внешние ссылки [ править ]
- Вайсштейн, Эрик В. «Номер Пелла» . Математический мир .
- Последовательность OEIS A001333 (Числители цепных дробей, сходящихся к sqrt(2)) — Числители одной и той же последовательности аппроксимаций.