Число Пелла - Pell number

Стороны квадратов, использованных для построения серебряной спирали, - это числа Пелла.

В математика, то Числа Пелла бесконечные последовательность из целые числа, известные с древних времен, составляющие знаменатели из ближайшие рациональные приближения к квадратный корень из 2. Эта последовательность приближений начинается 1/1, 3/2, 7/5, 17/12, и 41/29, поэтому последовательность чисел Пелла начинается с 1, 2, 5, 12 и 29. Числители одной и той же последовательности приближений составляют половину сопутствующие числа Пелла или же Числа Пелла – Лукаса; эти числа образуют вторую бесконечную последовательность, которая начинается с цифр 2, 6, 14, 34 и 82.

И числа Пелла, и сопутствующие числа Пелла могут быть вычислены с помощью отношение повторения аналогично тому, что для Числа Фибоначчи, и обе последовательности чисел расти экспоненциально, пропорционально полномочиям соотношение серебра 1 + 2. Числа Пелла не только используются для вычисления квадратного корня из двух, но и для нахождения квадратные треугольные числа, для построения целочисленных приближений к прямоугольный равнобедренный треугольник, и решить некоторые комбинаторное перечисление проблемы.[1]

Как и с Уравнение Пелла, название чисел Пелла происходит от Леонарда Эйлера ошибочное отнесение уравнения и полученных из него чисел к Джон Пелл. Числа Пелла – Лукаса также названы в честь Эдуард Лукас, изучавшие последовательности, определяемые повторениями этого типа; числа Пелла и сопутствующие ему числа Пелла равны Последовательности Лукаса.

Числа Пелла

Числа Пелла определяются отношение повторения:

Проще говоря, последовательность чисел Пелла начинается с 0 и 1, а затем каждое число Пелл является суммой удвоенного предыдущего числа Пелла и числа Пелл перед этим. Первые несколько членов последовательности:

0, 1, 2, 5, 12, 29, 70, 169, 408, 985, 2378, 5741, 13860,… (последовательность A000129 в OEIS ).

Числа Пелля также можно выразить формулой закрытого вида

Для больших значений п, то (1 + 2)п член доминирует в этом выражении, поэтому числа Пелля приблизительно пропорциональны степеням соотношение серебра 1 + 2, аналогично скорости роста чисел Фибоначчи как степеней Золотое сечение.

Возможно третье определение из матрица формула

Из этих определений можно вывести или подтвердить многие идентичности; например идентичность, аналогичная Личность Кассини для чисел Фибоначчи,

является непосредственным следствием матричной формулы (найденной с учетом детерминанты матриц в левой и правой частях матричной формулы).[2]

Приближение к квадратному корню из двух

Рациональные приближения к регулярным восьмиугольники, с координатами, полученными из чисел Пелла.

Числа Пелла возникают исторически, и прежде всего в рациональное приближение к 2. Если два больших целых числа Икс и у сформировать решение Уравнение Пелла

тогда их соотношение Икс/у обеспечивает близкое приближение к 2. Последовательность приближений такого вида есть

где знаменатель каждой дроби - это число Пелла, а числитель - это сумма 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 V века до нашей эры. также знал об этой последовательности приближений:[4] Платон называет числители рациональные диаметры.[5] Во 2 веке н.э. Теон Смирнский использовал термин номера сторон и диаметров для описания знаменателей и числителей этой последовательности.[6]

Эти приближения могут быть получены из непрерывная дробь расширение :

Усечение этого расширения до любого числа членов дает одно из приближений на основе числа Пелла в этой последовательности; например,

Как описывает Кнут (1994), тот факт, что числа Пелла приблизительно равны 2 позволяет использовать их для точных рациональных приближений к регулярным восьмиугольник с координатами вершины пя, ±пя+1) и пя+1, ±пя). Все вершины одинаково удалены от начала координат и образуют почти одинаковые углы вокруг начала координат. Как вариант, точки , , и образуют приблизительные восьмиугольники, в которых вершины почти одинаково удалены от начала координат и образуют равномерные углы.

Простые числа и квадраты

А Пелл Прайм это число Пелла, которое основной. Первые несколько простых чисел Пелла:

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 являются простыми. Как и в случае с числами Фибоначчи, число Пелла пп может быть простым, только если п сам по себе простой, потому что если d является делителем п тогда пd является делителем пп.

Единственные числа Пелла, которые представляют собой квадраты, кубы или любую более высокую степень целого числа, - это 0, 1 и 169 = 13.2.[7]

Однако, несмотря на то, что у них так мало квадратов или других степеней, числа Пелла тесно связаны с квадратные треугольные числа.[8] В частности, эти числа возникают из следующей идентичности чисел Пелла:

Левая часть этого тождества описывает квадратный номер, а правая часть описывает треугольное число, поэтому в результате получится квадратное треугольное число.

Сантана и Диас-Барреро (2006) доказали другое тождество, связав числа Пелла с квадратами и показав, что сумма чисел Пелла до п4п+1 всегда квадрат:

Например, сумма чисел Пелла до п5, 0 + 1 + 2 + 5 + 12 + 29 = 49, это квадрат п2 + п3 = 2 + 5 = 7. Цифры п2п + п2п+1 образуя квадратные корни из этих сумм,

1, 7, 41, 239, 1393, 8119, 47321,… (последовательность A002315 в OEIS ),

известны как Числа Ньюмана – Шанкса – Уильямса (Новый Южный Уэльс).

Пифагорейские тройки

Целочисленные прямоугольные треугольники с почти равными сторонами, полученные из чисел Пелла.

Если прямоугольный треугольник имеет целую длину стороны а, б, c (обязательно удовлетворяющий теорема Пифагора а2 + б2 = c2), тогда (а,б,c) известен как Пифагорейская тройка. Как описывает Мартин (1875), числа Пелла можно использовать для образования пифагоровых троек, в которых а и б находятся на расстоянии одной единицы, что соответствует прямоугольным треугольникам, которые почти равнобедренные. Каждая такая тройка имеет вид

Последовательность образованных таким образом пифагоровых троек имеет вид

(4,3,5), (20,21,29), (120,119,169), (696,697,985),…

Числа Пелла – Лукаса

В сопутствующие числа Пелла или же Числа Пелла – Лукаса определены отношение повторения

Проще говоря: первые два числа в последовательности равны 2, и каждое последующее число формируется путем добавления дважды предыдущего числа Пелла – Лукаса к предшествующему числу Пелла – Лукаса или, что эквивалентно, 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,…

Как отношения между Числа Фибоначчи и Числа Лукаса,

для всех натуральных чисел п.

Сопутствующие числа Пелла могут быть выражены формулой закрытого вида

Все эти числа четные; каждое такое число вдвое больше числителя в одном из рациональных приближений к обсуждалось выше.

Подобно последовательности Лукаса, если число Пелла – Лукаса 1/2Qп простое число, необходимо, чтобы n было простым числом или степенью двойки. Простые числа Пелля – Лукаса равны

3, 7, 17, 41, 239, 577,… (последовательность A086395 в OEIS ).

Для этих п находятся

2, 3, 4, 5, 7, 8, 16, 19, 29, 47, 59, 163, 257, 421,… (последовательность A099088 в OEIS ).

Расчеты и связи

В следующей таблице приведены первые несколько степеней соотношение серебра δ = δS = 1 + 2 и его сопряженный δ = 1 − 2.

п(1 + 2)п(1 − 2)п
01 + 02 = 11 − 02 = 1
11 + 12 = 2.41421…1 − 12 = −0.41421…
23 + 22 = 5.82842…3 − 22 = 0.17157…
37 + 52 = 14.07106…7 − 52 = −0.07106…
417 + 122 = 33.97056…17 − 122 = 0.02943…
541 + 292 = 82.01219…41 − 292 = −0.01219…
699 + 702 = 197.9949…99 − 702 = 0.0050…
7239 + 1692 = 478.00209…239 − 1692 = −0.00209…
8577 + 4082 = 1153.99913…577 − 4082 = 0.00086…
91393 + 9852 = 2786.00035…1393 − 9852 = −0.00035…
103363 + 23782 = 6725.99985…3363 − 23782 = 0.00014…
118119 + 57412 = 16238.00006…8119 − 57412 = −0.00006…
1219601 + 138602 = 39201.99997…19601 − 138602 = 0.00002…

Коэффициенты - это полусопутствующие числа Пелла. ЧАСп и числа Пелла пп которые являются (неотрицательными) решениями ЧАС2 − 2п2 = ±1.A квадратное треугольное число это число

что является одновременно тth треугольное число и s-й квадратный номер. А почти равнобедренная тройка Пифагора является целочисленным решением а2 + б2 = c2 куда а + 1 = б.

В следующей таблице показано, что разделение нечетного числа ЧАСп на почти равные половины дает квадратно-треугольное число, когда п является четной и почти равнобедренной пифагоровой тройкой, когда n нечетно. Все решения возникают таким образом.

пЧАСппптт + 1sабc
010010   
111   011
232121   
375   345
41712896   
54129   202129
69970495035   
7239169   119120169
8577408288289204   
91393985   696697985
1033632378168116821189   
1181195741   405940605741
121960113860980098016930   

Определения

Полусопутствующие числа Пелла ЧАСп и числа Пелла пп можно получить несколькими легко эквивалентными способами.

Повышение к власти

Из этого следует, что есть закрытые формы:

и

Парные рецидивы

Составы матриц

Так

Приближения

Разница между ЧАСп и пп2 является

который быстро стремится к нулю. Так

очень близко к 2ЧАСп.

Из этого последнего наблюдения следует, что целочисленные отношения ЧАСп/пп быстро приближаться 2; и ЧАСп/ЧАСп−1 и пп/пп−1 быстро приближаться 1 +2.

ЧАС2 − 2п2 = ±1

С 2 иррационально, мы не можем ЧАС/п = 2, т.е.

Лучшее, что мы можем достичь, это либо

(Неотрицательные) решения ЧАС2 − 2п2 = 1 это именно пары (ЧАСп, пп) с п даже, и решения ЧАС2 − 2п2 = −1 это именно пары (ЧАСп, пп) с п странный. Чтобы увидеть это, сначала обратите внимание, что

так что эти различия, начиная с ЧАС2
0
− 2п2
0
= 1
, равны поочередно 1 и -1. Затем обратите внимание, что каждое положительное решение получается таким образом из решения с меньшими целыми числами, поскольку

Меньшее решение также имеет положительные целые числа, за одним исключением: ЧАС = п = 1 который исходит из ЧАС0 = 1 и п0 = 0.

Квадратные треугольные числа

Требуемое уравнение

эквивалентно:который становится ЧАС2 = 2п2 + 1 с заменами ЧАС = 2т + 1 и п = 2s. Следовательно п-ое решение

Заметьте, что т и т + 1 взаимно просты, так что т(т + 1)/2 = s2 происходит именно тогда, когда они являются соседними целыми числами, один квадрат ЧАС2 а другой дважды квадрат 2п2. Поскольку мы знаем все решения этого уравнения, мы также имеем

и

Это альтернативное выражение показано в следующей таблице.

пЧАСппптт + 1sабc
010      
111121345
232896202129
375495035119120169
41712288289204696697985
54129168116821189405940605741
69970980098016930236602366133461

Пифагорейские тройки

Равенство c2 = а2 + (а + 1)2 = 2а2 + 2а + 1 происходит именно тогда, когда 2c2 = 4а2 + 4а + 2 который становится 2п2 = ЧАС2 + 1 с заменами ЧАС = 2а + 1 и п = c. Следовательно п-ое решение ап = ЧАС2п+1 − 1/2 и cп = п2п+1.

Таблица выше показывает, что в том или ином порядке ап и бп = ап + 1 находятся ЧАСпЧАСп+1 и 2пппп+1 пока cп = ЧАСп+1пп + пп+1ЧАСп.

Примечания

  1. ^ Например, Sellers (2002) доказывает, что количество идеальное соответствие в Декартово произведение из граф путей и график K4 − е может быть рассчитан как произведение числа Пелла на соответствующее число Фибоначчи.
  2. ^ О матричной формуле и ее следствиях см. Ercolano (1979) и Kilic and Tasci (2005). Дополнительные тождества для чисел Пелла перечислены Хорадамом (1971) и Бикнеллом (1975).
  3. ^ Как записано в Шульба Сутры; см. например Дутка (1986), который цитирует Тибо (1875) для этой информации.
  4. ^ См. Knorr (1976) для даты пятого века, которая соответствует Прокл 'утверждают, что номера сторон и диаметров были обнаружены Пифагорейцы. Для более детального изучения более поздних греческих знаний об этих числах см. Thompson (1929), Vedova (1951), Ridenhour (1986), Knorr (1998) и Filep (1999).
  5. ^ Например, как отмечается в нескольких ссылках из предыдущего примечания, в Республика Платона есть ссылка на "рациональный диаметр 5", по которому Платон означает 7, числитель приближения 7/5 из которых 5 - знаменатель.
  6. ^ Хит, сэр Томас Литтл (1921), История греческой математики: от Фалеса до Евклида, Courier Dover Publications, стр. 112, ISBN  9780486240732.
  7. ^ Пете (1992); Кон (1996). Хотя Числа Фибоначчи определяются повторением, очень похожим на числа Пелла, Кон пишет, что аналогичный результат для чисел Фибоначчи доказать гораздо труднее. (Однако это было доказано в 2006 году Бюжо и др.)
  8. ^ Сесскин (1962). Увидеть квадратное треугольное число статья для более подробного вывода.

Рекомендации

внешняя ссылка