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
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]
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:
Для небольших нечетных простых знаменателей разложение
был использован.
Для больших простых знаменателей расширение формы
использовался, где — число со многими делителями (например, практическое число ) между и . Оставшийся член был расширен путем представления числа в виде суммы делителей и образования дроби для каждого такого делителя в этой сумме. [5] Например, расширение Ахмеса соответствует этому шаблону с и , as и . Для данного типа может быть много различных расширений этого типа ; однако, как заметил К.С. Браун, расширение, выбранное египтянами, часто приводило к тому, что наибольший знаменатель был как можно меньшим среди всех расширений, соответствующих этой схеме.
Для некоторых составных знаменателей, учитываемых как , разложение для имеет форму разложения для с каждым знаменателем, умноженным на . Этот метод, по-видимому, использовался для многих составных чисел в папирусе Ринда [6] , но есть исключения, в частности , и . [7]
Можно также расширить
Например, Ахмес расширяет . Более поздние писцы использовали более общую форму этого расширения:
который работает, когда кратен . [8]
Последнее (простое) расширение в папирусе Ринда не соответствует ни одной из этих форм, а вместо этого использует расширение
который может применяться независимо от значения . То есть, . Соответствующее расширение также использовалось в нескольких случаях в Египетском математическом кожаном свитке.
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
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 .
Одна из самых ранних публикаций Пола Эрдеша доказала, что гармоническая прогрессия не может сформировать представление целого числа в виде египетской дроби . Причина в том, что обязательно хотя бы один знаменатель прогрессии будет делиться на простое число , которое не делит ни один другой знаменатель. [12] Последняя публикация Эрдеша, почти через 20 лет после его смерти, доказывает, что каждое целое число имеет представление, в котором все знаменатели являются произведениями трех простых чисел. [13]
Гипотеза Эрдеша-Грэма в комбинаторной теории чисел утверждает, что если целые числа больше 1 разделены на конечное число подмножеств, то одно из подмножеств имеет конечное подмножество самого себя, сумма обратных величин которого равна единице. То есть для каждого r > 0 и каждой r -раскраски целых чисел, больших единицы, существует конечное монохроматическое подмножество S этих целых чисел такое, что
Например, первичное псевдосовершенное число 1806 является произведением простых чисел 2, 3, 7 и 43 и дает начало египетской дроби 1 =1/2+1/3+1/7+1/43+1/1806 г..
Египетские дроби обычно определяются как требующие, чтобы все знаменатели были различны, но это требование можно смягчить, чтобы разрешить повторение знаменателей. Однако эта смягченная форма египетских дробей не позволяет представить какое-либо число с использованием меньшего количества дробей, поскольку любое расширение с повторяющимися дробями можно преобразовать в египетскую дробь равной или меньшей длины путем многократного применения замены.
если k нечетно, или просто заменив1/к+1/кк2/кесли к четно. Этот результат был впервые доказан Такенучи (1921).
Грэм и Джуэтт [14] доказали, что аналогичным образом можно преобразовать разложения с повторяющимися знаменателями в (более длинные) египетские дроби путем замены
Этот метод может привести к длинным разложениям с большими знаменателями, например
Боттс (1967) первоначально использовал эту технику замены, чтобы показать, что любое рациональное число имеет представление египетской дроби с произвольно большими минимальными знаменателями.
Любая дробьИкс/йимеет представление египетской дроби, в котором максимальный знаменатель ограничен [15]
и представление с не более чем
условия. [16] Иногда количество членов должно быть по крайней мере пропорционально log log y ; например, это верно для дробей в последовательности1/2,2/3,6/7,42/43,1806 г./1807 г., ... знаменатели которых образуют последовательность Сильвестра . Было высказано предположение, что членов O (log log y ) всегда достаточно. [17] Также можно найти представления, в которых как максимальный знаменатель, так и количество членов малы. [18]
Грэм (1964) охарактеризовал числа, которые можно представить египетскими дробями, в которых все знаменатели имеют n -ную степень. В частности, рациональное число q можно представить в виде египетской дроби с квадратными знаменателями тогда и только тогда, когда q лежит в одном из двух полуоткрытых интервалов.
Мартин ( 1999) показал, что любое рациональное число имеет очень плотное разложение, используя постоянную дробь знаменателей до N для любого достаточно большого N.
Разложение Энгеля , иногда называемое египетским произведением , представляет собой форму разложения египетской дроби, в которой каждый знаменатель кратен предыдущему:
Кроме того, последовательность множителей a i должна быть неубывающей. Каждое рациональное число имеет конечное энгелевое разложение, а иррациональные числа имеют бесконечное энгелевое разложение.
Аншель и Голдфельд (1991) изучают числа, которые имеют несколько различных представлений египетских дробей с одинаковым количеством членов и одинаковым произведением знаменателей; например, один из примеров, которые они предоставляют, это
В отличие от древних египтян, они допускают повторение знаменателей в этих разложениях. Они применяют свои результаты по этой проблеме для характеристики свободных произведений абелевых групп небольшим числом числовых параметров: рангом коммутанта , числом членов в свободном произведении и произведением порядков множителей.
Количество различных n -членных представлений египетской дроби числа один ограничено сверху и снизу двойными экспоненциальными функциями от n . [19]
Открытые проблемы
Некоторые заметные проблемы, связанные с египетскими дробями, остаются нерешенными, несмотря на значительные усилия математиков.
Гипотеза Эрдеша–Штрауса [17] касается длины кратчайшего разложения для дроби вида4/н. Делает ли расширение
существуют для каждого n ? Известно, что она верна для всех n < 10 17 и для всех, кроме исчезающе малой доли возможных значений n , но общая истинность гипотезы остается неизвестной.
Неизвестно, существует ли нечетное жадное разложение для каждой дроби с нечетным знаменателем. Если жадный метод Фибоначчи модифицировать так, что он всегда выбирает наименьший возможный нечетный знаменатель, при каких условиях этот модифицированный алгоритм дает конечное разложение? Очевидным необходимым условием является то, чтобы стартовая дробьИкс/йимеют нечетный знаменатель y , и предполагается, но неизвестно, что это также является достаточным условием. Известно [20] , что каждыйИкс/йс нечетным y имеет разложение на отдельные нечетные единичные дроби, построенные с использованием метода, отличного от жадного алгоритма.
Можно использовать алгоритмы поиска методом перебора , чтобы найти представление заданного числа в египетской дроби с наименьшим количеством возможных членов [21] или минимизировать наибольший знаменатель; однако такие алгоритмы могут быть весьма неэффективными. Существование алгоритмов с полиномиальным временем для решения этих задач или, в более общем смысле , вычислительная сложность таких задач остается неизвестным.
Гай (2004) описывает эти проблемы более подробно и перечисляет множество дополнительных открытых проблем.
^ Риттер (2002). См. также Кац (2007) и Робсон и Стедалл (2009).
^ Хульч (1895); Брюинз (1957)
^ Жиллингс (1982); Гарднер (2002)
^ Кнорр (1982).
^ Евс (1953).
^ Струик (1967).
^ Кусуба (2004).
^ Сиглер (2002), глава II.7
^ Эрдеш (1932); Грэм (2013)
^ Батлер, Эрдеш и Грэм (2015).
^ См. Wagon (1999) и Beeckmans (1993).
^ Ёкота (1988).
^ Восе (1985).
^ аб Эрдеш (1950).
^ Тененбаум и Йокота (1990).
^ Конягин (2014).
^ Бреуш (1954); Стюарт (1954)
^ Стюарт (1992).
Рекомендации
Аншель, Майкл М.; Голдфельд, Дориан (1991), «Разбиения, египетские дроби и свободные произведения конечных абелевых групп», Proceedings of the American Mathematical Society , 111 (4): 889–899, doi : 10.1090/S0002-9939-1991-1065083- 1 , МР 1065083
Бикманс, Л. (1993), «Алгоритм разделения египетских дробей», Journal of Number Theory , 43 (2): 173–185, doi : 10.1006/jnth.1993.1015 , MR 1207497
Боттс, Трумэн (1967), «Процесс цепной реакции в теории чисел», Mathematics Magazine , 40 (2): 55–65, doi : 10.2307/2688508, JSTOR 2688508, MR 0209217
Брюинз, Эверт М. (1957), «Platon et la table égyptienne 2/ n » [Платон и египетская таблица 2/ n ], Янус (на французском языке), 46 : 253–263.
Батлер, Стив ; Эрдеш, Пол ; Грэм, Рон (2015), «Египетские дроби, в которых каждый знаменатель имеет три различных простых делителя» (PDF) , Целые числа , 15 : Статья № A51, 9, MR 3437526
Дик, Лара К.; Огл, Ребекка (сентябрь 2018 г.), «Думай как египтянин», Журнал школьной математики Огайо , 80 : 1–7
Эрдеш, П. (1932), «Egy Kürschák-féle elemi számelméleti tétel általánosítása» [Обобщение элементарной теоретико-числовой теоремы Куршака] (PDF) , Матем. Физ. Лапок (на венгерском языке), 39 : 17–24.
Эрдеш, Пал (1950), «Az 1 x 1 + 1 x 2 + ⋯ + 1 x n знак равно а б {\displaystyle \textstyle {\frac {1}{x_{1}}}+{\frac {1}{x_ {2}}}+\cdots +{\frac {1}{x_{n}}}={\frac {a}{b}}} egyenlet egész számú megoldásairól" [Об одном диофантовом уравнении] ( PDF) , Matematikai Лапок (на венгерском языке), 1 : 192–210, MR 0043117.
Ивс, Ховард (1953), Введение в историю математики , Холт, Рейнхард и Уинстон, ISBN 0-03-029558-0
Гарднер, Майло (2002), «Египетский математический кожаный рулон, засвидетельствованный на краткосрочной и долгосрочной перспективе», в Gratton-Guinness, Айвор (редактор), «История математических наук» , Hindustan Book Co, стр. 119–134, ISBN 81-85931-45-3
Жиллингс, Ричард Дж. (1982), Математика во времена фараонов, Дувр, стр. 50, ISBN 978-0-486-24315-3
Грэм, Р.Л. (1964), «О конечных суммах обратных величин различных n-ных степеней» (PDF) , Pacific Journal of Mathematics , 14 (1): 85–92, doi : 10.2140/pjm.1964.14.85, MR 0159788, S2CID 2629869
Гай, Ричард К. (2004), «D11. Египетские дроби», Нерешенные проблемы теории чисел (3-е изд.), Springer-Verlag, стр. 252–262, ISBN 978-0-387-20860-2
Хульч, Фридрих (1895), «Die Elemente der ägyptischen Theilungsrechnung: Erste Anhandlung», Abhandlungen der philologisch-historischen Classe der Königlich-Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften, Sächsische Akademie der Wissenschaften zu Leipzig Philologisch-Historische Klasse (в немецкий), Лейпциг: S Хирзель, 17 (1)
Кац, Виктор Дж. , изд. (2007), Математика Египта, Месопотамии, Китая, Индии и ислама: справочник , Принстон: Princeton University Press
Норр, Уилбур Р. (1982), «Техника дробей в древнем Египте и Греции», Historia Mathematica , 9 (2): 133–171, doi : 10.1016/0315-0860(82)90001-5, MR 0662138
Конягин, С.В. (2014), «Двойная экспоненциальная нижняя граница числа представлений единицы египетскими дробями», Mathematical Notes , 95 (1–2): 277–281, doi : 10.1134/S0001434614010295, MR 3267215, S2CID 121871250
Кошалева Ольга; Крейнович, Владик (2021), «Египетские дроби как аппроксиматоры», Математические структуры и моделирование , 1 (57): 46–59
Кусуба, Таканори (2004), «Индийские правила разложения дробей», Бернетт, Чарльз; Хогендейк, Ян П .; Плофкер, Ким ; Яно, Мичио (ред.), Исследования по истории точных наук в честь Дэвида Пингри , Теология и наука исламской философии: текст и исследования, том. 54, Лейден: Брилл, стр. 497–516, MR 2054213.
Риттер, Джим (2002), «Закрытие глаза Гора: взлет и падение« фракций глаза Гора »«, в Стил, Дж.; Имхаузен, А. (ред.), Под одним небом: астрономия и математика на древнем Ближнем Востоке , Мюнстер: Ugarit-Verlag, стр. 297–323.
Робсон, Э .; Стедалл, Дж. , ред. (2009), Оксфордский справочник по истории математики , Оксфорд: Oxford University Press.
Сиглер, Лоуренс Э. (пер.) (2002), Liber Abaci Фибоначчи , Springer-Verlag, ISBN 0-387-95419-8
Такэнучи, Т. (1921), «О неопределенном уравнении», Труды Физико-математического общества Японии , 3-я серия, 3 (6): 78–92, doi : 10.11429/ppmsj1919.3.6_78
Тененбаум, Г .; Йокота, Х. (1990), «Длина и знаменатели египетских дробей», Journal of Number Theory , 35 (2): 150–156, doi : 10.1016/0022-314X(90)90109-5 , MR 1057319
Уилсон, П. Холт; Эджингтон, Синтия П.; Нгуен, Кенни Х.; Пескосолидо, Райан С.; Конфри, Джере (ноябрь 2011 г.), «Дроби: как справедливо разделить», Преподавание математики в средней школе , 17 (4): 230–236, doi : 10.5951/mathteacmiddscho.17.4.0230, JSTOR 10.5951/mathteacmiddscho.17.4. 0230
Винклер, Питер (2004), «Использование предохранителей», Математические головоломки: Коллекция знатоков , AK Peters, стр. 2, 6, ISBN 1-56881-201-9
Ёкота, Хисаси (1988), «К проблеме Блейхера и Эрдеша», Journal of Number Theory , 30 (2): 198–207, doi : 10.1016/0022-314X(88)90017-0 , MR 0961916