■マイ未解決問題2018(その1)

 今年うまく解決できた問題として,ハーレーの方程式

  Σk(n+1−k)x^n-k=0

に関するものがあげられる.

 このn次方程式のすべての解は|αi|=1,すなわち、複素平面の単位円周上にあるが,実数部分の最大値をcosξとすると,n→∞のとき,

  nξ→514.907°

に収束するというものである.

 一方,解決できなかった問題に,スターン・ブロコット数列に関するものがある.スターン・ブロコット数列と紛らわしいものにファレイ数列があり,まず,それから説明することにしたい.

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【1】ファレイ数列の生成

 n≧1とする.分母が正でかつnを越えないようなすべての既約分数を増大する順に並べたものを,位数nのファレイ数列と呼ぶ.

 n位のファレイ数列とは分子と分母がnを超えない既約な正の有理数全体を大きさの順に並べたものであるが,まず[0/1,1/1]からはじめ,(0+1)/(1+1)=1/2をはじめの2つの分数の間に挿入する.→[0/1,1/1]

漸次,隣接する2項p/qとr/sの間に中間分数

  (p+r)/(q+s)

を挿入する操作を可能な限り続けることによって得られる.

[0/1,1/1]

→[0/1,1/2,1/1](2位のファレイ数列)

→[0/1,1/3,1/2,2/3,1/1](3位のファレイ数列)

→[0/1,1/4,1/3,1/2,2/3,3/4,1/1](4位のファレイ数列)

→[0/1,1/4,1/3,2/5,1/2,3/5,2/3,3/4,1/1](5位のファレイ数列)

→[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](6位のファレイ数列)

→[・・・,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,・・・](7位のファレイ数列)

→[0/1,1/5,1/4,2/7,1/3,3/8,2/5,3/7,1/2,4/7,3/5,5/8,2/3,5/7,3/4,4/5,1/1](8位のファレイ数列)

が得られる.

 位数nのファレイ数列の長さは,オイラー関数φ(n)を用いて,

  1+φ(1)+φ(2)+・・・+φ(n−1)+φ(n)

 〜3(n/π)^2〜0.30396n^2

になる.この近似はnが大きくなるにつれてよくなっていく.

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【2】スターン・ブロコット数列の生成

 n位のスターン・ブロコット数列とは既約な正の有理数全体を大きさの順に並べたものであるが,[0/1,1/1]から始めた場合,まず(0+1)/(1+1)=1/2をはじめの2つの分数の間に挿入する.

→[0/1,1/1]

漸次,隣接する2項p/qとr/sの間に中間分数

  (p+r)/(q+s)

を挿入する操作を可能な限り続けることによって得られる.

[0/1,1/1](1位のスターン・ブロコット数列,項数2)

→[0/1,1/2,1/1](2位のスターン・ブロコット数列,項数3)

→[0/1,1/3,1/2,2/3,1/1](3位のスターン・ブロコット数列,項数5)

→[0/1,1/4,1/3,2/5,1/2,3/5,2/3,3/4,1/1](4位のスターン・ブロコット数列,項数9)

→[0/1,1/5,1/4,2/7,1/3,3/8,2/5,3/7,1/2,4/7,3/5,5/8,2/3,5/7,3/4,4/5,1/1](5位のスターン・ブロコット数列,項数17)

→[0/1,1/6,1/5,2/9,1/4,3/11,2/7,3/10,1/3,4/11,3/8,5/13,2/5,5/12,3/7,4/9,1/2,5/9,4/7,7/12,3/5,8/13,5/8,7/11,2/3,7/10,5/7,8/11,3/4,7/9,4/5,5/6,1/1](6位のスターン・ブロコット数列,項数33)

→[0/1,1/7,1/6,2/11,1/5,3/14,2/9,3/13,1/4,4/15,3/11,5/18,2/7,5/17,3/10,4/13,1/3,5/14,4/11,7/19,3/8,8/21,5/13,7/18,2/5,7/17,5/12,8/19,3/7,7/16,4/9,5/11,1/2,6/11,5/9,9/16,4/7,11/19,7/12,10/17,3/5,11/18,8/13,13/21,5/8,12/19,7/11,9/14,2/3,9/13,7/10,12/17,5/7,13/18,8/11,11/15,3/4,10/13,7/9,11/14,4/5,9/11,5/6,6/7,1/1](7位のスターン・ブロコット数列,項数65)

→[0/1,1/8,1/7,2/13,1/6,3/17,2/11,3/16,1/5,4/19,3/14,5/23,2/9,5/22,3/13,4/17,1/4,5/19,4/15,7/26,3/11,8/29,5/18,7/25,2/7,7/24,5/17,8/27,3/10,7/23,4/13,5/16,1/3,6/17,5/14,9/25,4/11,11/30,7/19,10/27,3/8,11/29,8/21,13/34,5/13,12/31,7/18,9/23,2/5,9/22,7/17,12/29,5/12,13/31,8/19,11/26,3/7,10/23,7/16,11/25,4/9,9/20,5/11,6/13,1/2,7/13,6/11,11/20,5/9,14/25,9/16,13/23,4/7,15/26,11/19,18/31,7/12,17/29,10/17,13/22,3/5,14/23,11/18,19/31,8/13,21/34,13/21,18/29,5/8,17/27,12/19,19/30,7/11,16/25,9/14,11/17,2/3,11/16,9/13,16/23,7/10,19/27,12/17,17/24,5/7,18/25,13/18,21/29,8/11,19/26,11/15,14/19,3/4,13/17,10/13,17/22,7/9,18/23,11/14,15/19,4/5,13/16,9/11,14/17,5/6,11/13,6/7,7/8,1/1](8位のスターン・ブロコット数列,項数129)

 位数nのスターン・ブロコット数列の長さは,

  2^n-1+1

になる.

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