Число Пелля — целое число, входящее в качестве знаменателя в бесконечную последовательностьподходящих дробей для квадратного корня из 2. Эта последовательность приближений начинается следующим образом: , то есть первые числа Пелля — 1, 2, 5, 12 и 29. Числители той же последовательности приближений являются половинами сопутствующих чисел Пелля или числами Пелля — Люка — бесконечной последовательностью, начинающейся с 2, 6, 14, 34 и 82.
Кроме использования в цепной дроби приближений к квадратному корню из двух, числа Пелля могут быть использованы для поиска квадратных треугольных чисел и для решения некоторых комбинаторных задач перечисления[1].
Последовательность чисел Пелля известна с древних времен. Как и уравнение Пелля, числа Пелля ошибочно приписаны Леонардом ЭйлеромДжону Пеллю. Числа Пелля — Люка названы в честь Эдуарда Люка, который изучал эти последовательности. И числа Пелля, и сопутствующие числа Пелля, являются частными случаями последовательностей Люка.
Для больши́х значений n член доминирует в этом выражении, так что числа Пелля примерно пропорциональны степеням серебряного сечения, аналогично тому, как числа Фибоначчи примерно пропорциональны степеням золотого сечения.
Возможно и третье определение — в виде матричной формулы
Многие тождества могут быть доказаны из этих определений, например тождество, аналогичное тождеству Кассини для чисел Фибоначчи,
как немедленное следствие матричной формулы (подставляя определители матриц слева и справа)[2].
то их отношение дает близкое приближение к .
Последовательность приближений этого вида
где знаменатель каждой дроби — число Пелля, а числитель равен сумме числа Пелля и его предшественника в последовательности. Таким образом, приближения имеют вид .
Приближение
этого типа было известно математикам Индии в третьем—четвертом столетии до нашей эры[3]. Греческие математики пятого столетия до нашей эры также знали об этом приближении[4]. Платон (Plato) ссылается на числители как рациональные диаметры[5]. Во втором столетии нашей эры Теон Смирнский использовал термины сторона и диаметр для описания знаменателя и числителя этой последовательности[6].
Эти приближения могут быть получены из цепной дроби:
Конечная часть цепной дроби дает аппроксимацию в виде чисел Пелля.
Например,
Как писал Кнут (1994), факт аппроксимации числами Пелля позволяет использовать их для рационального приближения к правильному восьмиугольнику с координатами вершин и .
Все вершины этого восьмиугольника одинаково удалены от центра и формируют почти одинаковые углы. Также точки , и формируют восьмиугольник, у которого вершины почти одинаково удалены от центра и формируют одинаковые углы.
Простые и квадраты
Простым числом Пелля называется число Пелля, являющееся также простым. Несколько первых простых чисел Пелля
2, 5, 29, 5741, … (последовательность A086383 в OEIS)
Как и в случае с числами Фибоначчи, число Пелля может быть простым только если n само просто.
Имеется всего три числа Пелля, являющимися квадратами, кубами и другими более высокими степенями, — это 0, 1 и 169 = 132[7].
Несмотря на то, что имеется столь мало квадратов и других степеней среди чисел Пелля, они имеют близкую связь с квадратными треугольными числами[8].
Эти числа возникают из следующего тождества:
Левая часть этого тождества даёт квадратное число, в то время как правая часть даёт треугольное число, так что в результате получим квадратное треугольное число.
Сантана (Santana) и Диац-Барреро (Diaz-Barrero) (2006) доказали другое тождество, связывающее числа Пелля с квадратами, показав, что сумма чисел Пелля до всегда квадрат:
Например, сумма чисел Пелля до , , является квадратом числа .
Если прямоугольный треугольник имеет стороны a, b, c (по теореме Пифагораa2+b2=c2), то (a,b,c) известны как пифагоровы тройки. Мартин (Martin) (1875) пишет, что числа Пелля могут быть использованы для формирования пифагоровых троек, в которых a и b отличаются на единицу, что соответствует почти равнобедренному прямоугольному треугольнику. Каждая такая тройка имеет вид
Последовательность пифагоровых троек, полученного таким способом
То есть, первые два числа в последовательности равны 2, а все остальные формируются как сумма удвоенного предыдущего числа Пелля — Люка и предшествующего ему, или, что эквивалентно, сложением следующего числа Пелля и предыдущего числа.
Так, сопровождающим для 82 является число 29, и 82 = 2 · 34 + 14 = 70 + 12.
Сопутствующие числа Пелля образуют последовательность:
Сопутствующие числа Пелля можно выразить формулой:
Все эти числа чётны, каждое из них является удвоенным числителем в приближении рациональными числами к .
Вычисления и связи
Следующая таблица даёт несколько первых степеней серебряного сечения и связанного с ним .
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Коэффициенты представляют собой половины сопутствующих чисел Пелля и числа Пелля , являющиеся неотрицательными решениями уравнения
.
Квадратное треугольное число — это число , которое является как -м треугольным числом так и -м квадратным. Почти равнобедеренные пифагоровы тройки являются целыми решениями , где .
Следующая таблица показывает разложение нечетных на две почти одинаковые половинки, дающее квадратное треугольное число когда n четно и почти равнобедренную пифагорову тройку, когда n нечетно.
t
t+1
s
a
b
c
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
2
3
2
1
2
1
3
7
5
3
4
5
4
17
12
8
9
6
5
41
29
20
21
29
6
99
70
49
50
35
7
239
169
119
120
169
8
577
408
288
289
204
9
1393
985
696
697
985
10
3363
2378
1681
1682
1189
11
8119
5741
4059
4060
5741
12
19601
13860
9800
9801
6930
Определения
Половины сопутствующих чисел Пелля и числа Пелля могут быть получены несколькими эквивалентными путями:
Возведение в степень:
Откуда следует:
и
Парные рекуррентные отношения:
или, в матричном виде:
Таким образом
Приближения
Разность и равна , что быстро стремится к нулю. Таким образом
очень близко к .
Из этого наблюдения следует, что отношение целых быстро приближается к в то время как и быстро приближается к .
H2 − 2P2 = ±1
Поскольку является иррациональным, мы не можем получить , то есть .
Лучшее, что мы можем получить, это либо либо .
Неотрицательными решениями являются пары с четным n, и решениями являются пары с n нечетным.
Чтобы понять это, заметим
так что, начиная с знак чередуется ().
Заметим теперь, что каждое положительное решение можно получить из решения с меньшим индексом благодаря равенству .
Требуемое равенство эквивалентно , что превращается в
при подстановке и . Отсюда n-м решением будет и
Заметим, что и взаимно просты, так что возможно только тогда, когда они являются соседними целыми, одно — квадрат и другое — удвоенный квадрат .
Поскольку мы знаем все решения уравнения, мы получаем
и
t
t+1
s
a
b
c
0
1
0
1
1
1
1
2
1
1
0
1
2
3
2
8
9
6
3
4
5
3
7
5
49
50
35
21
20
29
4
17
12
288
289
204
119
120
169
5
41
29
1681
1682
1189
697
696
985
6
99
70
9800
9801
6930
4059
4060
5741
Триплеты Пифагора
Равенство верно только при , что превращается в при подстановке .
Тогда n-м решением является и
Таблица выше показывает, что с точностью до порядка и равны и , в то время как
Примечания
↑Например, Селлерс (Sellers) в 2002 году показал, что количество совершенных паросочетаний в декартовом произведениипутей и графа K4-e может быть вычислено как произведение числа Пелля на соответствующие число Фибоначчи
↑О матричной формуле и её следствиях смотрите Эрколано (Ercolano) (1979), Килик (Kilic) и Таски (Tasci) (2005). Другие тождества для чисел Пелля приведены Хорадамом (Horadam) (1971) и Бикнеллем (Bicknell) (1975).
↑Это записано в Shulba Sutras. Смотрите, например, Дутка (Dutka) (1986), который цитировал Тибаута (Thibaut) (1875)
↑Смотри Кнорра (Knorr) (1976) со ссылкой на пятое столетие, что соответствует утверждению Прокла, что числа были открыты пифагорейцами. Для более полного исследования о более поздних знаниях греков об этих числах смотри Томпсона (Thompson) (1929), Ведова (Vedova) (1951), Риденхоура (Ridenhour) (1986), Кнорра (Knorr) (1998), и Филепа (Filep) (1999).
↑Например, в Государстве Платона имеется ссылка на «рациональный диаметр пяти», под которым Платон подразумевал 7, числитель приближения 7/5.
↑Pethő (1992); Cohn (1996). Хотя числа Фибоначчи определяются рекуррентными формулами, очень похожими на формулы для чисел Пелля, Кон (Cohn) пишет, что аналогичные результаты для чисел Фибоначчи куда сложнее доказать (однако, они доказаны в 2006 году Бугеадом [Bugeaud]).