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法里数列
数学上,"n"阶的法里数列是0和1之间最简分数的数列,由小至大排列,每个分数的分母不大于"n"。每个法里数列从0开始,至1结束,写作0⁄1和1⁄1,但有些人不把这两项包括进去。有时法里数列也称为法里级数,严格来说这名字不正确,因为法里数列的项不会加起来。 例子. 1至8阶的法里数列如下: "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} "「法里数列」历史颇为稀奇。" — Hardy &amp; Wright (1979) 第三章 "……又一次,数学关系的名字取自一个人,但记录所载这人不是其发现者。" — Beiler (1964) 第十六章 历史. 法里数列是以英国地质学家老约翰·法里得名,他关于这数列的信刊登在1816年的《哲学杂志》。法里猜测这数列的每一项都是相邻两项的中间分数;不过,以所知道的资料,他没有证明这个性质。法里的信给柯西读了,就给了一个证明在他的《数学习题》,把这结果归到法里上。其实,另一位数学家 C. Haros 曾在1802年发表了相类似的结果,几乎可以肯定法里和柯西都没看过。所以,法里的名字给了这个数列,是历史的一次意外。 性质. 数列长度. "n"阶的法里数列formula_1包含了较低阶的法里数列的全部项,特别是它包含formula_2的全部项,和与"n"互质的每个数的相应分数。所以formula_3包含了formula_4和分数1⁄6及5⁄6。对大于1的"n",其法里数列的中间项必定是1⁄2。 从上,formula_1和formula_2的长度的关系,可以用欧拉函数formula_7描述: formula_8。 从formula_9这项资料,可以推导出formula_1的长度公式: formula_11。 formula_12的渐近行为是: formula_13。 数列邻项. 法里数列的相邻分数项有下述性质: 若"a"⁄"b"和"c"⁄"d"是法里数列的邻项,而有"a"⁄"b" < "c"⁄"d",则它们之差"c"⁄"d" − "a"⁄"b"是1⁄"bd"。由于 formula_14, 上文就等于是说 "bc" − "ad" = 1。 例如1⁄3和2⁄5在formula_4中是邻项,它们之差为1⁄15。 这结果的逆命题也成立。若 "bc" − "ad" = 1, 其中"a","b","c"和"d"为正整数,及有"a" < "b"和"c" < "d",则"a"⁄"b"和"c"⁄"d"在阶为formula_16的法里数列中是邻项。 若"p"⁄"q"在某法里数列的邻项是"a"⁄"b"和"c"⁄"d",及 "a"⁄"b" < "p"⁄"q" < "c"⁄"d", 则"p"⁄"q"是"a"⁄"b"和"c"⁄"d"的中间分数。换句话说, formula_17。 又若"a"⁄"b"和"c"⁄"d"在某法里数列是邻项,则当法里数列的阶增加,它们间出现的第一项是 formula_18, 而这项第一次出现在"b"+"d"阶的法里数列中。 例如在1⁄3和2⁄5间出现的第一项是3⁄8,在formula_19出现。 Stern-Brocot树是一个资料结构,显出如何从0 (= 0⁄1)和1 (= 1⁄1)开始,以取中间分数来构成法里数列。 法里数列中的邻项分数,它们的连分数表示形式也密切相关。每个分数都有两个连分数表示,一个的尾项为1,另一个则大于1。考虑"p"⁄"q",它第一次于formula_20出现。以连分数表示为 formula_21,或 formula_22, 则"p"⁄"q"在formula_20中最接近的邻项(这是两邻项中分母较大的)表示为连分数是 formula_24, 而另一邻项则会表示为 formula_25。 例如3⁄8有两个连分数表示:[0;2,1,1,1]和[0;2,1,2],而它在formula_19中的邻项为2⁄5,可写成[0;2,1,1];和1⁄3,可写成[0;2,1]。 福特圆. 法里数列和之间有个有趣关连。 对每个最简分数p⁄q,有福特圆C[p⁄q],以formula_27为半径,以formula_28为圆心。两个不同分数的福特圆一是分开,一是相切,但不会相交。若0 < p⁄q < 1,则与相切的福特圆正好是在某一法里数列中与p⁄q为邻项的分数。 例如C[2⁄5]与C[1⁄2],C[1⁄3],C[3⁄7],C[3⁄8]等相切。 F1--F8的福特圆图像如下:
法里数列
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