法雷级数

王朝百科·作者佚名  2010-10-19
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法雷级数定义R.亨斯贝尔格著李忠翻译的《数学中的智巧》一书,介绍了法雷级数。这里每一行从0/1开始,以1/1结尾,其它数自左至右将所有的真分数按增加顺序排列;第n行是由所有分母小于或等于n的真分数组成,我们称为n阶法雷级数。如下表:

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

…… ………………………………

这里我们想问的是第n行Fn的真分数的个数有多少个呢?

我们设Fn的个数为ψ(n), ψ(n)比 ψ(n-1)增加的个数是分母是n,分子比n小且与n互质的数的个数,这正是欧拉函数φ(n)。即

ψ(n)=ψ(n-1)+ φ(n)

ψ(1)=1+φ(1)

ψ(2)=ψ(1)+φ(2)

ψ(3)=ψ(2)+φ(3)

………………

ψ(n)= ψ(n-1)+ φ(n)

所以 ψ(n)=1+φ(1)+φ(2)+φ(3)+……+φ(n)很容易证明,当n≥3时,欧拉函数φ(n)是个偶数。由此我们得到除ψ(1)=2是偶数外,法雷级数其它各级的个数都是奇数,并且许多是素数。ψ(1)=2,ψ(2)=3,ψ(3)=5,ψ(4)=7,ψ(5)=11,ψ(6)=13,ψ(7)=19,ψ(8)=23,ψ(9)=29,……。

性质法雷级数Fn具有很多美妙的性质,下面是一些常见的性质:

1.如果a/b,c/d是相邻的两项,则abs(a*d-b*c)=1。

2.如果a/b,c/d,e/f是相邻的三项,则 (a+e)/(b+f)=c/d,特别的,如果c/d是新添加的,即c/d不属于F(n-1),则c=a+e;d=b+f。

性质2对于这个问题至关重要,它的证明可以参见哈代(Hardy)写的数论导引第三章

关于Farey级数的介绍。根据这条性质可以知道,丛F(n−1)到F(n)的构造过程中,F(n)的新项的分母一定是其相领两项的分母和。另一方面,如果F(n−1)中的相邻两项 a/b,c/d, b+d=n,则(a+c)/n一定会被添加到F(n)中。

 
 
 
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