stringtranslate.com

Египетская фракция

Математический папирус Ринда

Египетская дробь — это конечная сумма различных единичных дробей , таких как

дробьчислительзнаменательчисломположительное рациональное числослагаемыхобычными дробямидесятичнойтеории чиселразвлекательной математикедревней математики

Приложения

Помимо исторического использования, египетские дроби имеют некоторые практические преимущества перед другими представлениями дробных чисел. Например, египетские дроби могут помочь разделить еду или другие предметы на равные доли. [1] Например, если кто-то хочет разделить 5 пицц поровну между 8 посетителями, египетская дробь

справедливому разделению[2]

Египетские дроби могут дать решение головоломок о сжигании веревок , в которых заданную продолжительность нужно измерить путем поджигания неоднородных веревок, которые сгорают через единицу времени. Любую рациональную долю единицы времени можно измерить, разложив дробь в сумму долей единицы, а затем для каждой доли единицы сжечь веревку так, чтобы на ней всегда были одновременно зажженные точки, где она горит. Для этого приложения нет необходимости, чтобы доли единиц отличались друг от друга. Однако для этого решения может потребоваться бесконечное количество шагов повторного освещения. [3]

История ранних веков

Обозначение египетских дробей было разработано в Среднем царстве Египта . Пятью ранними текстами, в которых фигурируют египетские дроби, были Египетский математический кожаный свиток , Московский математический папирус , Папирус Рейснера , Папирус Кахуна и Деревянная табличка Ахмима . Более поздний текст, « Математический папирус Ринда» , представил улучшенные способы записи египетских дробей. Папирус Ринда был написан Ахмесом и датируется вторым промежуточным периодом ; он включает в себя таблицу разложения египетских дробей для рациональных чисел , а также 84 задачи со словами . Решения каждой задачи были записаны писцом, а окончательные ответы на все 84 задачи были выражены в системе обозначений египетских дробей. Таблицы расширений, подобные таблице на папирусе Ринда, также встречаются в некоторых других текстах. Однако, как показывает Папирус Кахуна , писцы также использовали в своих расчетах вульгарные дроби .

Обозначения

Чтобы записать единицы измерения дробей, используемые в их египетских обозначениях дробей, египтяне использовали иероглифический шрифт :

( er , «[один] среди» или, возможно, re , рот) над числом, чтобы представить обратную величину этого числа. Подобным же образом в иератическом письме они рисовали линию над буквой, обозначающей число. Например:

У египтян были специальные символы для , , которые использовались для уменьшения размера чисел больше, чем когда такие числа были преобразованы в ряды египетских дробей. Оставшееся число после вычитания одной из этих специальных дробей записывалось как сумма отдельных единичных дробей в соответствии с обычными египетскими обозначениями дробей.

Египтяне также использовали альтернативное обозначение, модифицированное из Древнего царства, для обозначения специального набора дробей вида (для ) и сумм этих чисел, которые обязательно являются двоично-рациональными числами. Их назвали «фракциями Глаза Гора» в честь теории (ныне дискредитированной) [4] о том, что они основаны на частях символа Глаза Гора . Они использовались в Среднем царстве в сочетании с более поздними обозначениями египетских дробей для разделения геката , основной древнеегипетской меры объема зерна, хлеба и других небольших количеств объема, как описано в Деревянной табличке Ахмима . Если какой-либо остаток оставался после выражения количества в долях хеката в Глазе Гора, остаток записывался с использованием обычного египетского обозначения дробей как кратного ро , единицы, равной хекату.

Методы расчета

Современные историки математики изучили папирус Ринда и другие древние источники, пытаясь открыть методы, которые египтяне использовали для вычислений с помощью египетских дробей. В частности, исследования в этой области были сосредоточены на понимании таблиц расширения чисел формы в папирусе Ринда. Хотя эти разложения в целом можно описать как алгебраические тождества, методы, используемые египтянами, могут не соответствовать этим тождествам напрямую. Кроме того, расширения в таблице не соответствуют ни одному идентификатору; скорее, разные тождества соответствуют разложениям для простых и составных знаменателей, и числам каждого типа соответствует более одного тождества:

Позднее использование

Египетские обозначения дробей продолжали использоваться во времена Греции и в средние века, [9] несмотря на жалобы еще в « Альмагесте » Птолемея на неуклюжесть обозначений по сравнению с такими альтернативами, как вавилонская система обозначений с основанием 60 . Связанные с этим проблемы разложения на единичные дроби также изучались в Индии 9-го века джайнским математиком Махавирой . [10] Важный текст по средневековой европейской математике, Liber Abaci (1202) Леонардо Пизанского (более известный как Фибоначчи), дает некоторое представление об использовании египетских дробей в средние века и знакомит с темами, которые продолжают оставаться актуальными. важны в современном математическом изучении этих рядов.

Основным предметом Liber Abaci являются вычисления с использованием десятичных и обычных обозначений дробей, которые в конечном итоге заменили египетские дроби. Сам Фибоначчи использовал сложную систему обозначений дробей, включающую комбинацию смешанной системы счисления с суммами дробей. Многие вычисления в книге Фибоначчи включают числа, представленные в виде египетских дробей, а в одном разделе этой книги [11] представлен список методов преобразования обычных дробей в египетские дроби. Если число еще не является единичной дробью, первый метод в этом списке — попытаться разбить числитель на сумму делителей знаменателя; это возможно, если знаменателем является практическое число , и Liber Abaci включает таблицы разложений этого типа для практических чисел 6, 8, 12, 20, 24, 60 и 100.

Следующие несколько методов включают алгебраические тождества, такие как

8/118/11"="6/11+2/118/11"="1/2+1/22+1/6+1/66

В том редком случае, когда все эти методы терпят неудачу, Фибоначчи предлагает «жадный» алгоритм вычисления египетских дробей, в котором повторно выбирается единичная дробь с наименьшим знаменателем, который не больше, чем оставшаяся дробь, подлежащая разложению: то есть, в более современных обозначениях заменим дробьИкс/йза счет расширения

⌈ ⌉функцию потолка(− y ) mod x < x

Фибоначчи предлагает перейти к другому методу после первого такого разложения, но он также приводит примеры, в которых это жадное разложение повторялось до тех пор, пока не было построено полное разложение египетской дроби:4/13"="1/4+1/18+1/468и17/29"="1/2+1/12+1/348.

По сравнению с древнеегипетскими разложениями или более современными методами этот метод может давать довольно длинные разложения с большими знаменателями, и сам Фибоначчи отмечал неуклюжесть разложений, полученных этим методом. Например, жадный метод расширяет

Последовательность Сильвестра 2, 3, 7, 43, 1807, ... можно рассматривать как порожденную бесконечным жадным разложением такого типа для числа 1, где на каждом шаге мы выбираем знаменатель й/Икс⌋ + 1 вместо й/Икс , а иногда жадный алгоритм Фибоначчи приписывают Джеймсу Джозефу Сильвестру .

После описания жадного алгоритма Фибоначчи предлагает еще один метод, разлагающий дробь.а/бпутем поиска числа c, имеющего много делителей, сб/2< c < b , заменаа/бкпеременный ток/До нашей эрыи разложение ac как сумма делителей bc , аналогично методу, предложенному Хультчем и Брюинсом для объяснения некоторых разложений в папирусе Ринда.

Современная теория чисел

Хотя египетские дроби больше не используются в большинстве практических приложений математики, современные теоретики чисел продолжают изучать множество различных проблем, связанных с ними. К ним относятся проблемы ограничения длины или максимального знаменателя в представлениях египетских дробей, нахождение разложений определенных специальных форм или в которых все знаменатели имеют какой-то особый тип, прекращение использования различных методов разложения египетских дробей и доказательство того, что разложения существуют для любых достаточно плотное множество достаточно гладких чисел .

Открытые проблемы

Некоторые заметные проблемы, связанные с египетскими дробями, остаются нерешенными, несмотря на значительные усилия математиков.

Гай (2004) описывает эти проблемы более подробно и перечисляет множество дополнительных открытых проблем.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Дик и Огл (2018); Кошалева и Крейнович (2021)
  2. ^ Уилсон и др. (2011).
  3. ^ Винклер (2004).
  4. ^ Риттер (2002). См. также Кац (2007) и Робсон и Стедалл (2009).
  5. ^ Хульч (1895); Брюинз (1957)
  6. ^ Жиллингс (1982); Гарднер (2002)
  7. ^ Кнорр (1982).
  8. ^ Евс (1953).
  9. ^ Струик (1967).
  10. ^ Кусуба (2004).
  11. ^ Сиглер (2002), глава II.7
  12. ^ Эрдеш (1932); Грэм (2013)
  13. ^ Батлер, Эрдеш и Грэм (2015).
  14. ^ См. Wagon (1999) и Beeckmans (1993).
  15. ^ Ёкота (1988).
  16. ^ Восе (1985).
  17. ^ аб Эрдеш (1950).
  18. ^ Тененбаум и Йокота (1990).
  19. ^ Конягин (2014).
  20. ^ Бреуш (1954); Стюарт (1954)
  21. ^ Стюарт (1992).

Рекомендации

Внешние ссылки