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既约分数 既约真分树 | 法雷序列

题目写的是真分数树,没错,应该是真分数,但是看完之后你会发现和树有一些生动的联系。

今天的内容很丰富,涉及到很多知识,看似零散,实则相互关联。是纯数学。感谢大家阅读的耐心。

下图所示的三角形看起来像杨辉三角形(国外的帕斯卡三角形),其实不是。每一行都是由一些降分组成的。比如第三行,我们称之为F3(F是Farey的第一个字母)。除了行两端的0/1和1/1,中间的分数是分母小于等于3(F3中的3): 1/3,1/2,2/3的简化真分数。所谓不可约,就是分子和分母互为质数,也就是说除了1没有共同的因子。真分数表示分子小于分母。这三个降真分(F3中只有这三个)从左到右按从小到大的顺序排列,即1/3

如果上表中的归约真分数的分子作为横坐标,分母作为纵坐标,那么表中的归约真分数一一对应直角坐标。我们在直角坐标系中追踪这些坐标所代表的所有点,然后将这些点分别与原点相连。如下图所示。我们发现这些连接段都是从原点发出来的,很像没有风扇的风扇架。这些线段只在原点相交,这些线段上没有网格点(具有整数坐标的点)。这个不难理解,因为每个点的水平和垂直坐标是互为质数的。

我们来研究一下上图。Farley序列Fn中与真分数对应的坐标点都位于Y轴的右侧,对角线y=x的上方,直线y=n的下方,直线x=n-1的左侧,即这四条直线所围成的梯形的内侧和边界上。随着n的增加,区域无限延伸到右上。上图只画了F8。

最靠近扇形框架左侧的线段是从原点到点(0,1)的连接线,对应于F8最左边的0/1。

最靠近扇形框架右侧的线段是从原点到点(1,1)的连线,对应F8最左边的1/1。

然后,在上述两个线段之间,从左线段顺时针旋转,左线段是以下列点为端点的线段:

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