Sequência Farey - Farey sequence

Diagrama de Farey para F 9 representado com arcos circulares. Na imagem SVG , passe o mouse sobre uma curva para destacá-la e seus termos.
Diagrama de Farey para F 9 .
Padrão simétrico formado pelos denominadores da sequência de Farey, F 9 .
Padrão simétrico formado pelos denominadores da sequência de Farey, F 25 .

Em matemática , a sequência de Farey de ordem n é a sequência de frações totalmente reduzidas , seja entre 0 e 1, ou sem essa restrição, que quando em termos mais baixos têm denominadores menores ou iguais a n , dispostos em ordem crescente de tamanho.

Com a definição restrita, cada sequência Farey começa com o valor 0, denotado pela fração 0/1e termina com o valor 1, denotado pela fração 1/1 (embora alguns autores omitam esses termos).

Uma sequência Farey às vezes é chamada de série Farey , o que não é estritamente correto, porque os termos não são somados.

Exemplos

As sequências Farey das ordens 1 a 8 são:

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 }
Centrado
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 }
Ordenado
 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}
 F7 = {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}
 F8 = {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}
Sunburst 8.png

Plotar os numeradores em relação aos denominadores de uma sequência de Farey dá uma forma como a da direita, mostrada para F 6 .

O reflexo dessa forma em torno dos eixos diagonais e principais gera o raio de sol de Farey , mostrado abaixo. O sunburst de Farey de ordem n conecta os pontos de grade inteiros visíveis da origem no quadrado do lado 2 n , centralizado na origem. Usando o teorema de Pick, a área da explosão solar é 4 (| F n | −1), onde | F n | é o número de frações em F n .

Farey sunburst de ordem 6

História

A história da 'série Farey' é muito curiosa - Hardy & Wright (1979)
... mais uma vez o homem cujo nome foi dado a uma relação matemática não foi o descobridor original até onde vão os registros. - Beiler (1964)

As sequências de Farey têm o nome do geólogo britânico John Farey, Sr. , cuja carta sobre essas sequências foi publicada na Philosophical Magazine em 1816. Farey conjecturou, sem oferecer provas, que cada novo termo em uma expansão da sequência de Farey é o mediante de seus vizinhos . A carta de Farey foi lida por Cauchy , que forneceu uma prova em seus Exercices de mathématique , e atribuiu esse resultado a Farey. Na verdade, outro matemático, Charles Haros , publicou resultados semelhantes em 1802, que não eram conhecidos nem por Farey nem por Cauchy. Portanto, foi um acidente histórico que ligou o nome de Farey a essas sequências. Este é um exemplo da lei da epônima de Stigler .

Propriedades

Farey diagrama círculo embalagem 5.png
Farey diagrama círculo embalagem 6.png

Comprimento da sequência e índice de uma fração

A sequência Farey de ordem n contém todos os membros das sequências Farey de ordens inferiores. Em particular, F n contém todos os membros de F n −1 e também contém uma fração adicional para cada número menor que n e coprime para n . Assim, F 6 consiste em F 5 junto com as frações1/6 e 5/6.

O meio termo de uma sequência Farey F n é sempre1/2, para n > 1. A partir disso, podemos relacionar os comprimentos de F n e F n −1 usando a função totiente de Euler  :

Usando o fato de que | F 1 | = 2, podemos derivar uma expressão para o comprimento de F n :

onde está o totiente sumatório .

Nos tambem temos :

e por uma fórmula de inversão de Möbius  :

onde µ ( d ) é a função de Möbius teórica numérica e é a função de piso .

O comportamento assintótico de | F n | é :

O índice de uma fração na sequência de Farey é simplesmente a posição que ocupa na sequência. Isso é de especial relevância, pois é usado em uma formulação alternativa da hipótese de Riemann , veja abaixo . Seguem várias propriedades úteis:

O índice de onde e é o mínimo múltiplo comum dos primeiros números,, é dado por:

Vizinhos baratos

As frações que são termos vizinhos em qualquer sequência de Farey são conhecidas como par de Farey e têm as seguintes propriedades.

Se uma/b e c/d são vizinhos em uma sequência de Farey, com uma/b < c/d, então a diferença deles c/d - uma/b é igual a 1/bd. Isso ocorre porque cada par consecutivo de racionais de Farey tem uma área equivalente a 1.

Se r1 = p / q e r2 = p '/ q' são interpretados como vetores (p, q) no plano x, y, a área de A (p / q, p '/ q') é dada por qp ' - q'p. Como qualquer fração adicionada entre duas frações de sequência de Farey consecutivas anteriores é calculada como a mediante (⊕)

A (r1, r1⊕r2) = A (r1, r1) + A (r1, r2) = A (r1, r2) = 1 (uma vez que r1 = 1/0 e r2 = 0/1, sua área deve ser um) .

Desde:

isso é equivalente a dizer que

.

Desse modo 1/3 e 2/5são vizinhos em F 5 , e sua diferença é1/15.

O inverso também é verdadeiro. Se

para inteiros positivos a , b , c e d com a < b e c < d entãouma/b e c/dserão vizinhos na sequência de Farey de ordem max ( b, d ).

Se p/q tem vizinhos uma/b e c/d em alguma sequência de Farey, com

então p/qé o mediante deuma/b e c/d - em outras palavras,

Isso segue facilmente da propriedade anterior, uma vez que se bp - aq = qc - pd = 1 , então bp + pd = qc + aq , p ( b + d ) = q ( a + c ) ,p/q = a + c/b + d.

Segue-se que se uma/b e c/d são vizinhos em uma sequência Farey, então o primeiro termo que aparece entre eles conforme a ordem da sequência Farey é incrementada é

que aparece pela primeira vez na sequência de Farey de ordem b + d .

Assim, o primeiro termo a aparecer entre 1/3 e 2/5 é 3/8, que aparece em F 8 .

O número total de pares de vizinhos Farey em F n é 2 | F n | -3.

A árvore Stern-Brocot é uma estrutura de dados que mostra como a sequência é construída a partir de 0 (=0/1) e 1 (= 1/1), tomando mediantes sucessivos.

Vizinhos baratos e frações contínuas

As frações que aparecem como vizinhas em uma sequência de Farey têm expansões de fração contínuas estreitamente relacionadas . Cada fração tem duas expansões de fração contínuas - em uma, o termo final é 1; no outro, o prazo final é maior que 1. Sep/q, que aparece pela primeira vez na sequência de Farey F q , tem expansões de fração contínuas

[0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 , a n , 1]
[0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 , a n + 1]

então o vizinho mais próximo de p/qem F q (que será seu vizinho com o maior denominador) tem uma expansão de fração contínua

[0; a 1 , a 2 , ..., a n ]

e seu outro vizinho tem uma expansão contínua da fração

[0; a 1 , a 2 , ..., a n - 1 ]

Por exemplo, 3/8tem as duas expansões de fração contínuas [0; 2, 1, 1, 1] e [0; 2, 1, 2] , e seus vizinhos em F 8 são2/5, que pode ser expandido como [0; 2, 1, 1] ; e1/3, que pode ser expandido como [0; 2, 1] .

Farey frações e o mínimo múltiplo comum

O lcm pode ser expresso como os produtos das frações Farey como

onde está a segunda função Chebyshev .

Frações frágeis e o maior divisor comum

Uma vez que a função totiente de Euler está diretamente conectada ao mdc , o número de elementos em F n também está ,

Para quaisquer 3 frações tarifárias uma/b, c/d e e/fa seguinte identidade entre os mdc dos determinantes da matriz 2x2 em valor absoluto é válida:

Formulários

As sequências Farey são muito úteis para encontrar aproximações racionais de números irracionais. Por exemplo, a construção por Eliahou de um limite inferior no comprimento de ciclos não triviais no processo 3 x +1 usa sequências de Farey para calcular uma expansão de fração contínua do número log 2 (3).

Em sistemas físicos com fenômenos de ressonância, as sequências de Farey fornecem um método muito elegante e eficiente para calcular localizações de ressonância em 1D e 2D.

As sequências de Farey são proeminentes em estudos de planejamento de caminhos de qualquer ângulo em grades de células quadradas, por exemplo, na caracterização de sua complexidade computacional ou otimização. A conexão pode ser considerada em termos de caminhos restritos por r , ou seja, caminhos feitos de segmentos de linha que atravessam no máximo linhas e no máximo colunas de células. Let É o conjunto de vetores de tal forma que , e , são primos entre si. Deixe ser o resultado de refletir na linha . Deixe . Então, qualquer caminho restrito por r pode ser descrito como uma sequência de vetores de . Há uma bijeção entre e a sequência de ordem de Farey dada pelo mapeamento de .

Círculos de Ford

Comparação de círculos de Ford e um diagrama de Farey com arcos circulares para n de 1 a 9. Cada arco intercepta seus círculos correspondentes em ângulos retos. Na imagem SVG , passe o mouse sobre um círculo ou curva para destacá-lo e seus termos.

Há uma conexão entre a sequência de Farey e os círculos de Ford .

Para cada fração p/q (em seus termos mais baixos) existe um círculo Ford C [p/q], que é o círculo com raio 1 / (2 q 2 ) e centro em (p/q, 1/ 2 q ² ) Dois círculos Ford para frações diferentes são disjuntos ou tangentes um ao outro - dois círculos Ford nunca se cruzam. Se 0 <p/q <1 então os círculos de Ford que são tangentes a C [p/q] são precisamente os círculos da Ford para frações vizinhas de p/q em alguma sequência de Farey.

Assim, C [2/5] é tangente a C [1/2], C [1/3], C [3/7], C [3/8] etc.

Os círculos de Ford aparecem também na junta apolínea (0,0,1,1). A imagem abaixo ilustra isso junto com as linhas de ressonância de Farey.

Junta apolínea (0,0,1,1) e o diagrama de ressonância de Farey.

Hipótese de Riemann

As sequências de Farey são usadas em duas formulações equivalentes da hipótese de Riemann . Suponha que os termos de são . Definir , em outras palavras, é a diferença entre o k- ésimo termo da n- ésima seqüência de Farey, e o k- ésimo membro de um conjunto de mesmo número de pontos, distribuídos uniformemente no intervalo unitário. Em 1924 Jérôme Franel provou que a declaração

é equivalente à hipótese de Riemann, e então Edmund Landau observou (logo após o artigo de Franel) que a declaração

também é equivalente à hipótese de Riemann.

Outras somas envolvendo frações tarifárias

A soma de todas as frações Farey de ordem n é a metade do número de elementos:

A soma dos denominadores na sequência de Farey é duas vezes a soma dos numeradores e está relacionada à função totiente de Euler:

que foi conjecturado por Harold L. Aaron em 1962 e demonstrado por Jean A. Blake em 1966. Uma prova de uma linha da conjectura de Harold L. Aaron é a seguinte. A soma dos numeradores é . A soma dos denominadores é . O quociente da primeira soma pela segunda soma é .

Sejam b j os denominadores ordenados de F n , então:

e

Seja a j / b j a j -ésima fração de Farey em F n , então

que é demonstrado em. Também de acordo com esta referência, o termo dentro da soma pode ser expresso de muitas maneiras diferentes:

obtendo assim muitas somas diferentes sobre os elementos Farey com o mesmo resultado. Usando a simetria em torno de 1/2, a soma anterior pode ser limitada à metade da sequência como

A função Mertens pode ser expressa como uma soma sobre as frações Farey como

  onde     está a seqüência de Farey de ordem n .

Esta fórmula é usada na demonstração do teorema de Franel – Landau .

Próximo termo

Um algoritmo surpreendentemente simples existe para gerar os termos de F n na ordem tradicional (crescente) ou na ordem não tradicional (decrescente). O algoritmo calcula cada entrada sucessiva em termos das duas entradas anteriores usando a propriedade mediante fornecida acima. Seuma/b e c/d são as duas entradas fornecidas, e p/q é a próxima entrada desconhecida, então c/d = a  +  p/b  +  q. Desdec/dé menor em termos, deve haver um número inteiro k tal que kc  =  um  +  P e KD  =  b  +  q , dando p  =  kc  -  um e q  =  kd  -  b . Se considerarmos p e q ser funções de k , em seguida,

então quanto maior k fica, mais pertop/q chega a c/d.

Para dar o próximo termo na sequência, k deve ser o maior possível, sujeito a kd  -  b  ≤  n (já que estamos considerando apenas números com denominadores não maiores que n ), então k é o maior inteiro ≤ n  +  b/d. Colocando este valor de k de volta nas equações para p e q

Isso é implementado em Python da seguinte maneira:

def farey_sequence(n: int, descending: bool = False) -> None:
    """Print the n'th Farey sequence. Allow for either ascending or descending."""
    (a, b, c, d) = (0, 1, 1, n)
    if descending:
        (a, c) = (1, n - 1)
    print("{0}/{1}".format(a, b))
    while (c <= n and not descending) or (a > 0 and descending):
        k = (n + b) // d
        (a, b, c, d) = (c, d, k * c - a, k * d - b)
        print("{0}/{1}".format(a, b))

As buscas de força bruta por soluções para equações diofantinas em racionais podem freqüentemente tirar vantagem da série de Farey (para pesquisar apenas formas reduzidas). As linhas marcadas com (*) também podem ser modificadas para incluir quaisquer dois termos adjacentes de modo a gerar termos apenas maiores (ou menores) do que um determinado termo.

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Leitura adicional

links externos