ARITMETIK 3. Stockholms universitet Matematiska institutionen Avd matematik Torbjörn Tambour

Relevanta dokument
Rekursion. 1. Inledning. vara en fot bred.

Övningshäfte 3: Polynom och polynomekvationer

POLYNOM OCH POLYNOMEKVATIONER

Kapitel 2: De hela talen

Sats 2.1 (Kinesiska restsatsen) Låt n och m vara relativt prima heltal samt a och b två godtyckliga heltal. Då har ekvationssystemet

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 5

Lösningsförslag till Tentamen i 5B1118 Diskret matematik 5p 22 augusti, 2001

1. Inledning, som visar att man inte skall tro på allt man ser. Betrakta denna följd av tal, där varje tal är dubbelt så stort som närmast föregående

1. Ange samtliga uppsättningar av heltal x, y, z som uppfyller båda ekvationerna. x + 2y + 24z = 13 och x 11y + 17z = 8.

kvoten mellan två på varandra följande tal i en talföljd är konstant alltid lika stor.

inte följa någon enkel eller fiffig princip, vad man nu skulle mena med det. All right, men

3 differensekvationer med konstanta koefficienter.

Euklides algoritm för polynom

x2 6x x2 6x + 14 x (x2 2x + 4)

Material till kursen SF1679, Diskret matematik: Lite om kedjebråk. 0. Inledning

29 Det enda heltalet n som satisfierar båda dessa villkor är n = 55. För detta värde på n får vi x = 5, y = 5.

Några satser ur talteorin

Övningshäfte 1: Induktion, rekursion och summor

1, 2, 3, 4, 5, 6,...

Givet två naturliga tal a och b, som inte båda två är 0, hur räknar man ut största gemensamma delaren av a och b?

Övningshäfte 2: Induktion och rekursion

Kinesiska restsatsen

Hela tal LCB 1999/2000

ÄNDLIGT OCH OÄNDLIGT AVSNITT 4

PRIMTALEN, MULTIPLIKATION OCH DIOFANTISKA EKVATIONER

(A B) C = A C B C och (A B) C = A C B C. Bevis: (A B) C = A C B C : (A B) C = A C B C : B C (A B) C A C B C

Den räta linjens ekvation

RSA-kryptering. Torbjörn Tambour

Algoritmer och datastrukturer H I HÅKAN S T R Ö M B E R G N I C K L A S B R A N D E F E L T

Den räta linjens ekvation

Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

Andragradsekvationer. + px + q = 0. = 3x 7 7 3x + 7 = 0. q = 7

Explorativ övning 5 MATEMATISK INDUKTION

Algebra och talteori MMGL31. Repetition. Idag. Föreläsning 9 VT FLS och primtalstestning. Carmichaeltal. Rabin-Miller test.

Teori :: Diofantiska ekvationer v1.2

3, 6, 9, 12, 15, 18. 1, 2, 4, 8, 16, 32 Nu är stunden inne, då vill vill summera talen i en talföljd

Fibonacci och hans matematik

Svar till vissa uppgifter från första veckan.

Teori för linjära ordinära differentialkvationer med konstanta koefficienter

Induktion, mängder och bevis för Introduktionskursen på I

Grupper och RSA-kryptering

Bisektionsalgoritmen. Kapitel Kvadratroten ur 2

Lite om räkning med rationella uttryck, 23/10

Föreläsning 3: Ekvationer och olikheter

Matematik 5 Kap 2 Diskret matematik II

Explorativ övning 5 MATEMATISK INDUKTION

Kap Inversfunktion, arcusfunktioner.

Läsanvisning till Discrete matematics av Norman Biggs - 5B1118 Diskret matematik

Problembanken - utmanande problem. Gymnasieskolan, modul: Undervisa matematik utifrån problemlösning

Lösning till tentamensskrivning i Diskret Matematik för CINTE och CMETE, m fl, SF1610, tisdagen den 2 juni 2015, kl

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

POLYNOM OCH EKVATIONER. Matematiska institutionen Stockholms universitet Experimentupplaga 2003 Eftertryck förbjudes eftertryckligen

σ 1 = (531)(64782), τ 1 = (18)(27)(36)(45), τ 1 σ 1 = (423871)(56).

18 juni 2007, 240 minuter Inga hjälpmedel, förutom skrivmateriel. Betygsgränser: 15p. för Godkänd, 24p. för Väl Godkänd (av maximalt 36p.

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

Tentamensskrivning i Diskret Matematik för CINTE och CMETE, SF1610, onsdagen den 20 augusti 2014, kl

Lösning av tentamensskrivning i Diskret Matematik för CINTE och CMETE, SF1610, tisdagen den 27 maj 2014, kl

Läsanvisningar till kapitel

Diskret matematik: Övningstentamen 4

Lösningsförslag till tentamensskrivning i SF1610 Diskret Matematik för CINTE 30 maj 2018, kl

Föreläsning 9: Talteori

1/31 REGRESSIONSANALYS. Statistiska institutionen, Stockholms universitet

Funktioner. Räta linjen

Sidor i boken f(x) = a x 2 +b x+c

Jeep-problemet. Kjell Elfström

Lösningar för tenta i TMV200 Diskret matematik kl. 14:00 18:00

Övningshäfte 6: 2. Alla formler är inte oberoende av varandra. Försök att härleda ett par av de formler du fann ur några av de övriga.

MÖNSTER OCH TALFÖLJDER

Låt n vara ett heltal som är 2 eller större. Om a och b är två heltal så säger vi att. a b (mod n)

MS-A0409 Grundkurs i diskret matematik Appendix, del II

Lösningar till udda övningsuppgifter

, S(6, 2). = = = =

Diskret Matematik A för CVI 4p (svenska)

Lösning till tentamensskrivning i Diskret Matematik för CINTE, CL2 och Media 1, SF1610 och 5B1118, onsdagen den 17 augusti 2011, kl

MULTIPLIKATION AV MATRISER, BASER I RUMMET SAMT FÖRSTA MÖTET MED MATRISINVERSER = = =

2 Matematisk grammatik

Prov 1 2. Ellips 12 Numeriska och algebraiska metoder lösningar till övningsproven uppdaterad a) i) Nollställen för polynomet 2x 2 3x 1:

1. Lös ut p som funktion av de andra variablerna ur sambandet

Lösandet av ekvationer utgör ett centralt område inom matematiken, kanske främst den tillämpade.

6 Derivata och grafer

4x 1 = 2(x 1). i ( ) får vi 5 3 = 5 1, vilket inte stämmer alls, så x = 1 2 är en falsk rot. Svar. x = = x x + y2 1 4 y

MA2047 Algebra och diskret matematik

SJÄLVSTÄNDIGA ARBETEN I MATEMATIK

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

Matematisk kommunikation för Π Problemsamling

SAMMANFATTNING TATA82 Diskret matematik

Polynomekvationer (Algebraiska ekvationer)

Lösa ekvationer på olika sätt

Fibonacci. Miniporträttet

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 1.1

Lösningar till övningstentan. Del A. UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Styf. Övningstenta BASKURS DISTANS

Vektorgeometri för gymnasister

Existens och entydighet

Om a 2 är ett jämnt tal, så är också a ett jämt tal sant. = 4n 2 + 4n + 1

TAMS79: Föreläsning 10 Markovkedjor

Rekursionsformler. Komplexa tal (repetition) Uppsala Universitet Matematiska institutionen Isac Hedén isac

Ger bilder stöd för förståelsen av och förmågan att minnas kunskapskraven?

1. MYSTERIER BLAND HELTALEN.

STOCKHOLMS UNIVERSITET HT 2008 Statistiska institutionen Linda Wänström. Omtentamen i Regressionsanalys

Facit till Några extra uppgifter inför tentan Matematik Baskurs. x 2 x

Transkript:

Stockholms universitet Matematiska institutionen Avd matematik Torbjörn Tambour ARITMETIK 3 I det här tredje aritmetikavsnittet ska vi diskutera en följd av heltal, som kallas Fibonaccis talföljd. Talen i följden betecknar vi med F 0, F 1, F 2, F 3 och så vidare. De definieras på följande sätt: Alltså är och så vidare. F 0 = 0, F 1 = 1, F n = F n 1 + F n 2 för n 2. (1) F 2 = F 1 + F 0 = 1 + 0 = 1 F 3 = F 2 + F 1 = 1 + 1 = 2 F 4 = F 3 + F 2 = 2 + 1 = 3 F 5 = F 4 + F 3 = 3 + 2 = 5 F 6 = F 5 + F 4 = 5 + 3 = 8 Uppgift 1: Beräkna talen F n för alla n 15. Talföljden F 0, F 1, F 2,... är uppkallad efter den italienske matematikern Fibonacci eller Leonardo av Pisa, som levde ca 1170-1250. Den var dock känd långt tidigare. Uppgift 2: Använd t ex Internet för att ta reda på mer om Fibonacci. Han studerade talföljden i ett speciellt sammanhang; vilket? Ta reda på några andra sammanhang i vilka följden förekommer. Det finns många problem som involverar följden på ett eller annat sätt. Tag reda på något sådant och visa vad Fibonaccitalen har med det att göra. Fibonaccitalen har mängder av intressanta egenskaper. Om du löste Uppgift 1 kanske du lade märke till att det verkar som om SGD(F n+1, F n ) = 1, dvs att två på varandra följande Fibonaccital inte har några gemensamma delare 2. Det är sant att det är så och inte så svårt att bevisa. Vi har enligt definitionen F n+1 = F n + F n 1, så SGD(F n+1, F n ) = SGD(F n + F n 1, F n ) = SGD(F n 1, F n ) = SGD(F n, F n 1 ). Uppgift 3: Här använde vi att SGD(a + b, b) = SGD(a, b) för positiva heltal a och b. Motivera utförligt varför det är så. 1

Vi upprepar: SGD(F n+1, F n ) = SGD(F n, F n 1 ) = SGD(F n 1, F n 2 ) = SGD(F n 2, F n 3 ) och så vidare. Så småningom kommer vi till SGD(F 2, F 1 ), som är 1. Alltså är SGD(F n+1, F n ) = 1 för alla n 1. Ett annat samband som vi kan visa på ett liknande sätt är F 2 n = F n+1 F n 1 + ( 1) n 1. Kontrollera gärna detta med hjälp av talen du räknade ut i uppgift 1. För beviset gör vi så här: F 2 n F n+1 F n 1 = F 2 n (F n + F n 1 )F n 1 = F 2 n F n F n 1 F 2 n 1 = F n (F n F n 1 ) F 2 n 1 = F n (F n 1 + F n 2 F n 1 ) F 2 n 1 = F n F n 2 F 2 n 1 = (F 2 n 1 F n F n 2 ). (Var har vi använt definitionen av Fibonaccitalen?) Låt oss för enkelhetens skull sätta a n = F 2 n F n+1 F n 1 för n = 1, 2, 3,.... Då är a n 1 = F 2 n 1 F n 1+1 F n 1 1 = F 2 n 1 F n F n 2 och det vi har visat är att a n = a n 1. Om vi använder detta upprepade gånger så får vi varför a n = a n 1 = ( 1) 2 a n 2 = ( 1) 3 a n 3 =... = ( 1) n 1 a 1 = ( 1) n 1 (F1 2 F 2 F 0 ) = ( 1) n 1 (1 2 1 0) = ( 1) n 1, F 2 n F n+1 F n 1 = a n = ( 1) n 1 och F 2 n = F n+1 F n 1 + ( 1) n 1. Låt oss gå tillbaka till definitionen (1) av Fibonaccitalen. Det är inget som hindrar att vi använder sambandet F n = F n 1 +F n 2 baklänges och definierar F n även för negativa index. Vi skriver då F n 2 = F n F n 1 eller, om vi byter n mot n + 2, F n = F n+2 F n+1. Observera alltså att vi ska använda detta för negativa värden på n. Vi får F 1 = F 1 F 0 = 1 F 2 = F 0 F 1 = 0 1 = 1 F 3 = F 1 F 2 = 1 ( 1) = 2 F 4 = F 2 F 3 = ( 1) 2 = 3 2

Uppgift 4: Beräkna F n för 15 n 5. Ser du något samband mellan F n och F n? Uppgift 5: Förmodligen lade du märke till att det verkar som om F n = ( 1) n 1 F n för n 0. Bevisa att det verkligen är på det sättet genom att göra så här: Sätt, för n 0, G n = F n + ( 1) n F n. Visa att G 0 = G 1 = 0 och att G n+2 + G n+1 = G n. Vad kan du dra för slutsats av detta? I definitionen F n = F n 1 + F n 2 kan vi förstås ersätta F n 1 med F n 2 + F n 3 och får därvid F n = 2F n 2 + F n 3. Om vi sätter in F n 2 = F n 3 + F n 4 så får vi F n = 2(F n 3 + F n 4 ) + F n 3 = 3F n 3 + 2F n 4. Vi fortsätter två steg till: F n 3 = F n 4 + F n 5 ger F n = 3(F n 4 + F n 5 ) + 2F n 4 = 5F n 4 + 3F n 5. Nu ger F n 4 = F n 5 + F n 6 att F n = 5(F n 5 + F n 6 ) + 3F n 5 = 8F n 5 + 5F n 6. Känner du igen koefficienterna framför Fibonaccitalen i högerleden? Visst, de är också Fibonaccital och det förefaller som om I nästa uppgift ska du bevisa att det är så. Uppgift 6: Låt k vara ett fixt tal och sätt F n = F k+1 F n k + F k F n k 1. (2) H n = F k+1 F n k + F k F n k 1. Bevisa att H 0 = 0, H 1 = 1 samt att H n = H n 1 + H n 2. Vilken slutsats drar du av detta? Likheten (2) kan man använda för att visa det intressanta resultatet att SGD(F n, F m ) = F d, där d = SGD(n, m). (3) Innan vi bevisar detta ska vi använda (2) för att visa att d n F d F n. (4) Säg att n = qd. Använder vi (2) och räknar modulo F d så får vi F n = F d+1 F n d + F d F n d 1 F d+1 F n d F 2 d+1f n 2d =... = F q d+1 F n qd F q d+1 F 0 0 modulo F d. Detta visar (4). Nu kan vi bevisa (3). Låt oss anta att n > m. Då har vi enligt (2) SGD(F n, F m ) = SGD(F m+1 F n m + F m F n m 1, F m ) = SGD(F m+1 F n m, F m ) = SGD(F n m, F m ). 3

Säg att Euklides algoritm tillämpad på n och m ser ut så här: n = q 1 m + r 1 m = q 2 r 1 + r 2 r 1 = q 3 r 2 + r 3 r 2 = q 4 r 3, så att SGD(n, m) = r 3. Då kan vi upprepa och får SGD(F n, F m ) = SGD(F n q1m, F m ) = SGD(F r1, F m ) = SGD(F r1, F m q2r 1 ) = SGD(F r1, F r2 ) = SGD(F r1 q 3r 2, F r2 ) = SGD(F r3, F r2 ) = F r3, där den sista likheten följer av (4) och att r 3 r 2. Eventuellt frågar man sig om det finns någon annan formel för Fibonaccitalen än själva definitionen (1). Som avslutning på det här avsnittet ska vi härleda en sådan. Det är naturligtvis inte lätt att gissa en formel: vilka funktioner ska den innehålla? Låt oss undersöka om det finns något tal α 0 sådant att talen α n uppfyller samma relation som Fibonaccitalen, dvs F n+2 = F n+1 + F n. I så fall ska vi alltså ha α n+2 = α n+1 + α n. Förkortar vi med α n så ser vi att α måste uppfylla sambandet α 2 = α + 1. Om α är en rot till ekvationen x 2 = x + 1 så uppfyller med andra ord talen a n = Aα n relationen a n+2 = a n+1 +a n för alla A. Men Fibonaccitalen uppfyller ju också begynnelsevillkoren F 0 = 0, F 1 = 1. Kan vi bestämma konstanten A så att a n = Aα n uppfyller samma villkor? Nej, för a 0 = A, så vi skulle i så fall få A = 0, vilket ger a n = 0 för alla n. Men ekvationen x 2 = x + 1 har ju faktiskt två rötter! Låt oss beteckna dem med α och β och fråga oss om vi kan bestämma talen A och B så att a n = Aα n + Bβ n uppfyller a 0 = 0, a 1 = 1 och a n+2 = a n+1 + a n. Uppgift 7: Lös ekvationen x 2 = x + 1. Uppgift 8: Visa att a n = Aα n + Bβ n uppfyller sambandet a n+2 = a n+1 + a n för alla A och B. Visa att villkoren a 0 = 0, a 1 = 1 ger A = 1 α β, B = 1 α β. Talen a n = αn β n α β uppfyller tydligen samma villkor som Fibonaccitalen, men kan vi av detta dra slutsatsen att F n = a n? 4

Uppgift 9: Sätt b n = F n a n, där a n är som nyss. Visa att b 0 = b 1 = 0 och att b n+2 = b n+1 + b n. Vad kan du säga om värdet av b n? Hur kan du nu dra slutsatsen att Uppgift 10: Bevisa (2) genom att använda (5). F n = a n = αn β n α β? (5) Uppgift 11: Ovan härledde vi en formel för den talföljd F n som uppfyller villkoren F 0 = 0, F 1 = 1, F n+2 = F n+1 + F n. Härled på samma sätt en formel för den talföljd a n som uppfyller a 0 = 4, a 1 = 7, a n+2 = 5a n+1 6a n. 5