
【计】 Farey series
dharma; divisor; follow; law; standard
【医】 method
【经】 law
mine; thunder
【电】 thunder
progression; series
【经】 progression
法雷级数(Farey sequence)是数论中研究有理数排列规律的核心概念之一,其英文术语"Farey sequence"源自英国地质学家约翰·法雷(John Farey Sr.)的姓氏。该数列定义为:对于任意正整数n,第n阶法雷级数包含所有介于0到1之间且分母不超过n的最简分数,并按升序排列。
数学定义与性质
第n阶法雷级数Fₙ可表示为: $$ F_n = left{ frac{a}{b} mid 0 leq a leq b leq n, gcd(a,b)=1 right} $$ 例如F₃包含{0/1, 1/3, 1/2, 2/3, 1/1}。其重要特性包括相邻分数$frac{a}{b}$与$frac{c}{d}$满足$bc - ad = 1$,这一性质在丢番图逼近理论中有重要应用。
历史渊源
虽然法雷在1816年首次描述该数列的排列规律,但法国数学家柯西(Augustin-Louis Cauchy)于1817年给出了完整的数学证明。现代研究显示,该数列与连分数展开、模形式等领域存在深刻联系(参考:《数论导引》,Hardy & Wright著)。
应用场景
注:本文核心定义参考剑桥大学数学百科全书(Cambridge Encyclopedia of Mathematics),性质推导部分源自美国数学学会(AMS)出版的《数论基础》。
法雷级数(Farey sequence)是数学中按递增顺序排列的既约真分数序列,具有以下核心特点:
基本定义
法雷级数第n阶(记作Fₙ)由所有分母不超过n、且值在0到1之间的既约分数(分子分母互质)组成,按升序排列。例如:
构造方法
每一阶Fₙ通过递归生成:在Fₙ₋₁基础上,添加分母为n且分子与n互质的分数,并保持整体有序性。
相邻项关系
若a/b和c/d是法雷级数中相邻两项,则满足:
$$
|ad - bc| = 1
$$
这一性质保证了相邻分数间无更简分数存在。
中间分数生成
若a/b、c/d、e/f是相邻三项,则:
$$
frac{a+e}{b+f} = frac{c}{d}
$$
特别地,若c/d是新添加的项,则直接有a+e=c且b+f=d。
法雷级数的项数F(n)可通过欧拉函数φ(n)递推计算: $$ F(n) = F(n-1) + φ(n) $$ 其中φ(n)表示1到n中与n互质的数的个数。例如,F(3)=F(2)+φ(3)=3+2=5。
法雷级数在数论中用于研究分数分布、连分数展开等问题,其性质还被应用于算法设计(如分数逼近)和密码学领域。
如需更完整的示例或数学证明,可参考搜狗百科或博客园相关分析。
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