stringtranslate.com

Египетская фракция

Математический папирус Ринда

Египетская дробь — это конечная сумма различных единичных дробей , таких как То есть каждая дробь в выражении имеет числитель, равный 1, и знаменатель, который является положительным целым числом , и все знаменатели отличаются друг от друга. Значение выражения этого типа — положительное рациональное число ; например, египетская дробь выше дает в сумме . Каждое положительное рациональное число может быть представлено египетской дробью. Суммы этого типа и подобные суммы, также включающие и в качестве слагаемых , использовались в качестве серьезной записи рациональных чисел древними египтянами и продолжали использоваться другими цивилизациями вплоть до средневековья. В современной математической нотации египетские дроби были заменены вульгарными дробями и десятичной записью. Однако египетские дроби продолжают оставаться объектом изучения в современной теории чисел и развлекательной математике , а также в современных исторических исследованиях древней математики .

Приложения

Помимо своего исторического использования, египетские дроби имеют некоторые практические преимущества по сравнению с другими представлениями дробных чисел. Например, египетские дроби могут помочь в разделении еды или других объектов на равные части. [1] Например, если кто-то хочет разделить 5 пицц поровну между 8 обедающими, египетская дробь означает, что каждый обедающий получает половину пиццы плюс еще одну восьмую пиццы, например, разделив 4 пиццы на 8 половин, а оставшуюся пиццу на 8 восьмых. Упражнения по выполнению такого рода справедливого разделения еды являются стандартным примером для класса при обучении студентов работе с единичными дробями. [2]

Египетские дроби могут предоставить решение головоломок с горением веревок , в которых заданная продолжительность должна быть измерена путем поджигания неоднородных веревок, которые сгорают через единицу времени. Любая рациональная дробь единицы времени может быть измерена путем расширения дроби в сумму единичных дробей, а затем для каждой единичной дроби , сжигая веревку так, чтобы она всегда имела одновременно горящие точки, где она горит. Для этого приложения не обязательно, чтобы единичные дроби отличались друг от друга. Однако это решение может потребовать бесконечного числа шагов повторного зажигания. [3]

Ранняя история

Египетская система записи дробей была разработана в Среднем царстве Египта . Пять ранних текстов, в которых появляются египетские дроби, — это 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 египетских дробных расширений для рациональных чисел , а также 84 словесные задачи . Решения каждой задачи были записаны в стенографии писцов, а окончательные ответы всех 84 задач были выражены в египетской системе записи дробей. Таблицы расширений для , подобные той, что находится в папирусе Ринда, также встречаются в некоторых других текстах. Однако, как показывает Папирус Кахуна , в своих вычислениях писцы также использовали вульгарные дроби .

Обозначение

Для записи дробей, используемых в египетской системе записи дробей, иероглифическим письмом египтяне использовали иероглиф :

( er , "[один] среди" или, возможно, re , рот) над числом, чтобы представить обратную величину этого числа. Аналогично в иератическом письме они рисовали линию над буквой, представляющей число. Например:

У египтян были специальные символы для , , и , которые использовались для уменьшения размера чисел, больших, чем когда такие числа были преобразованы в ряд египетских дробей. Оставшееся число после вычитания одной из этих специальных дробей записывалось как сумма отдельных единичных дробей в соответствии с обычной египетской записью дробей.

Египтяне также использовали альтернативную нотацию, модифицированную из Древнего царства, для обозначения специального набора дробей формы (для ) и сумм этих чисел, которые обязательно являются двоичными рациональными числами. Они были названы «дробь Гора-Глаз» после теории (ныне дискредитированной) [4] , что они были основаны на частях символа Глаз Гора . Они использовались в Среднем царстве в сочетании с более поздней нотацией для египетских дробей для подразделения геката , основной древнеегипетской меры объема для зерна, хлеба и других малых количеств объема, как описано в Деревянной табличке Ахмим . Если какой-либо остаток оставался после выражения количества в дробях Ока Гора от геката, остаток записывался с использованием обычной египетской нотации дробей как кратные a ro , единицы, равной геката.

Методы расчета

Современные историки математики изучили папирус Ринда и другие древние источники в попытке обнаружить методы, которые египтяне использовали для вычислений с египетскими дробями. В частности, исследования в этой области были сосредоточены на понимании таблиц расширений для чисел вида в папирусе Ринда. Хотя эти расширения в целом можно описать как алгебраические тождества, методы, используемые египтянами, могут не соответствовать напрямую этим тождествам. Кроме того, расширения в таблице не соответствуют ни одному тождеству; скорее, различные тождества соответствуют расширениям для простых и для составных знаменателей, и более чем одно тождество соответствует числам каждого типа:

Более позднее использование

Египетская система записи дробей продолжала использоваться во времена Греции и в Средние века, [9] несмотря на жалобы еще в « Альмагесте » Птолемея на неуклюжесть этой системы записи по сравнению с альтернативами, такими как вавилонская система счисления с основанием 60. Связанные с этим проблемы разложения на единичные дроби также изучались в Индии в IX веке джайнским математиком Махавирой . [10] Важный текст средневековой европейской математики, « Liber Abaci» (1202) Леонардо Пизанского (более известного как Фибоначчи), дает некоторое представление об использовании египетских дробей в Средние века и вводит темы, которые продолжают оставаться важными в современном математическом изучении этих рядов.

Основной темой Liber Abaci являются вычисления, включающие десятичную и вульгарную дробь, которая в конечном итоге заменила египетские дроби. Сам Фибоначчи использовал сложную запись для дробей, включающую комбинацию смешанной системы счисления с суммами дробей. Многие вычисления в книге Фибоначчи включают числа, представленные в виде египетских дробей, и один из разделов этой книги [11] содержит список методов преобразования вульгарных 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, когда знаменатель является практическим числом , и Liber Abaci включает таблицы расширений этого типа для практических чисел 6, 8, 12, 20, 24, 60 и 100.

Следующие несколько методов включают алгебраические тождества, такие как: Например, Фибоначчи представляет дробь 8/11 путем разбиения числителя на сумму двух чисел, каждое из которых делит единицу плюс знаменатель: 8/11 = 6/11 + 2/11 . Фибоначчи применяет алгебраическое тождество выше к каждой из этих двух частей, производя расширение8/11 = 1/2 + 1/22 + 1/6 + 1/66 . Фибоначчи описывает аналогичные методы для знаменателей, которые на два или три меньше числа со многими множителями.

В редком случае, когда все эти методы терпят неудачу, Фибоначчи предлагает «жадный» алгоритм вычисления египетских дробей, в котором многократно выбирается единичная дробь с наименьшим знаменателем, которая не больше оставшейся дроби, подлежащей разложению: то есть, в более современной записи, мы заменяем дробь х/у с помощью расширения , где ⌈ ⌉ представляет собой функцию потолка ; поскольку (− y ) mod x < x , этот метод дает конечное расширение.

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

По сравнению с древнеегипетскими расширениями или более современными методами этот метод может производить расширения, которые являются довольно длинными, с большими знаменателями, и сам Фибоначчи отмечал неуклюжесть расширений, полученных этим методом. Например, жадный метод расширяет, в то время как другие методы приводят к более короткому расширению

Последовательность Сильвестра 2, 3, 7, 43, 1807, ... можно рассматривать как сгенерированную бесконечным жадным расширением этого типа для числа 1, где на каждом шаге мы выбираем знаменатель у/х ⌋ + 1 вместоу/х , а иногда жадный алгоритм Фибоначчи приписывают Джеймсу Джозефу Сильвестру .

После описания жадного алгоритма Фибоначчи предлагает еще один метод, расширяющий дробь а/б путем поиска числа c, имеющего много делителей, с б/2 < c < b , заменяяа/б от переменный ток/до нашей эры и разложение ac в сумму делителей bc , аналогично методу, предложенному Хультшем и Бруинсом для объяснения некоторых разложений в папирусе Ринда.

Современная теория чисел

Хотя египетские дроби больше не используются в большинстве практических приложений математики, современные специалисты по теории чисел продолжают изучать множество различных проблем, связанных с ними. К ним относятся проблемы ограничения длины или максимального знаменателя в представлениях египетских дробей, нахождения расширений определенных специальных форм или таких, в которых все знаменатели являются некоторого специального типа, прекращения различных методов расширения египетских дробей и демонстрация того, что расширения существуют для любого достаточно плотного множества достаточно гладких чисел .

Открытые проблемы

Несмотря на значительные усилия математиков, некоторые важные проблемы, связанные с египетскими дробями, остаются нерешенными.

Гай (2004) описывает эти проблемы более подробно и перечисляет многочисленные дополнительные открытые проблемы.

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. ^ Джиллингс (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. ^ Йокота (1988).
  16. ^ Восе (1985).
  17. ^ ab Erdős (1950).
  18. ^ Тененбаум и Йокота (1990).
  19. ^ Конягин (2014).
  20. ^ Бреуш (1954); Стюарт (1954)
  21. ^ Стюарт (1992).

Ссылки

Внешние ссылки