Calkinin-Wiln jono 1/2 2/2 3/2 4/2 5/2 6/2... 1/3 2/3 3/3 4/3 5/3 6/3... 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 6/4... 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5 6/5...

Samankaltaiset tiedostot
Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 11 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

Alkulukujen harmoninen sarja

LUKU II HOMOLOGIA-ALGEBRAA. 1. Joukko-oppia

Johdatus diskreettiin matematiikkaan (syksy 2009) Harjoitus 3, ratkaisuja Janne Korhonen

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matematiikkaan

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

Tenttiin valmentavia harjoituksia

a ord 13 (a)

Luonnollisten lukujen induktio-ominaisuudesta

Outoja funktioita. 0 < x x 0 < δ ε f(x) a < ε.

1 Reaaliset lukujonot

Matemaattisten työvälineiden täydentäviä muistiinpanoja

LUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että

Luonnollisen päättelyn luotettavuus

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Tehtävä 4 : 2. b a+1 (mod 3)

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

1.2 Raja-arvon määrittäminen käytännön tilanteissa

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Äärettömistä joukoista

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

811120P Diskreetit rakenteet

k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

Tehtävä 10 : 1. Tehtävä 10 : 2

(2n 1) = n 2

Kuinka määritellään 2 3?

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Induktio, jonot ja summat

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

Olkoon seuraavaksi G 2 sellainen tasan n solmua sisältävä suunnattu verkko,

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Äärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

4 Matemaattinen induktio

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

isomeerejä yhteensä yhdeksän kappaletta.

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 2, Osoita että A on hyvin määritelty. Tee tämä osoittamalla

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO

Automaatit. Muodolliset kielet

Diskreetti derivaatta

1 Peruslaskuvalmiudet

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus logiikkaan I, syksy 2018 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotukset

1. Olkoot f ja g reaalifunktioita. Mitä voidaan sanoa yhdistetystä funktiosta g f, jos a) f tai g on rajoitettu? b) f tai g on jaksollinen?

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III

Johdatus matemaattiseen päättelyyn (5 op)

Hieman joukko-oppia. A X(A a A b A a b).

Rationaaliluvun desimaaliesitys algebrallisesta ja lukuteoreettisesta näkökulmasta

Kuvaus eli funktio f joukolta X joukkoon Y tarkoittaa havainnollisesti vastaavuutta, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon joukon Y tietyn alkion.

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet

Johdatus matematiikkaan

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Kuvaus eli funktio f joukolta X joukkoon Y tarkoittaa havainnollisesti vastaavuutta, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon joukon Y tietyn alkion.

Diskreetti matematiikka, syksy 2010 Harjoitus 7, ratkaisuista

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013

Tehtävä 1. Arvioi mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa. Vihje: voit aloittaa kokeilemalla sopivia lukuarvoja.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.

} {{ } kertaa jotain

Koodausteoria, Kesä 2014

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Matematiikan peruskurssi 2

Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Johdatus matematiikkaan

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Näin ollen saadaan tulos rad(g) diam(g). Toisaalta huomataan, että verkon G kaikilla solmuilla x ja y pätee kolmioepäyhtälön nojalla havainto

Rekursio. Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

1. Esitä rekursiivinen määritelmä lukujonolle

(a) Kyllä. Jokainen lähtöjoukon alkio kuvautuu täsmälleen yhteen maalijoukon alkioon.

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

DFA:n käyttäytyminen ja säännölliset kielet

Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkiratkaisut 3 / vko 10

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Transkriptio:

Calkinin-Wiln jono Funktio f : X Y on bijektio, jos sillä on käänteisfunktio f : Y X. Joukko X on äärellinen, jos se on thjä tai jos on olemassa bijektio f : X {,,,..., n}. Joukko X on numeroituva, jos se on äärellinen tai jos on olemassa bijektio f : X Z +. Numeroituvuutta käsitellään esimerkiksi kirjassa []. Numeroituvan joukon alkiot voidaan siis numeroida antamalla jokaiselle joukon alkiolle x numero f(x), missä f on mainittu bijektio. Kätännössä tämä merkitsee sitä, että numeroituvan joukon alkiot voidaan asettaa jonoon järjestksessä x, x, x.... Luonnollisten lukujen joukko N on numeroituva, sillä N n n + Z + on vaadittu bijektio. Mös kokonaislukujen joukko Z on helo osoittaa numeroituvaksi, mutta on ehkä llättävää, että rationaalilukujen joukkokin on numeroituva. Tdmme tässä osoittamaan, että ositiiviset rationaaliluvut voidaan asettaa jonoon. Todistus erustuu kaavioon / / / 4/ 5/ 6/... / / / 4/ 5/ 6/... / / / 4/ 5/ 6/... /4 /4 /4 4/4 5/4 6/4... /5 /5 /5 4/5 5/5 6/5... /6 /6 /6 4/6 5/6 6/6............ josta nuolia seuraamalla saamme jonon,,,,,, 4,,.... ( )

Jokainen ositiivinen rationaaliluku esiint tässä jonossa äärettömän monta kertaa. Jättämällä alusta lähtien ois jokaisen jonossa jo esiintneen luvun saamme uuden jonon,,,,, 4,,, 4, 5, 5,..., jossa jokainen ositiivinen rationaaliluku esiint täsmälleen kerran. Edellä esitett herättää ksmksen, onko mahdollista muodostaa kaikki ositiiviset rationaaliluvut käsittävä jono turvautumatta mihinkään jälkikäteismaniulaatioihin. Tämä ongelma voidaan ratkaista monella eri tavalla, mutta ehkä elegantein ratkaisu on Calkinin ja Wiln [] konstruoima binäärinen uu, joka löt mös kirjasta []............. Puu rakentuu kuvion osoittamalla tavalla siten, että jokaisella siinä olevalla luvulla on alla olevassa kaaviossa määritellt vasemman- ja oikeanuoleinen jälkeläinen, vj ja oj. + tai jos + x = x, niin x +x x +. Lukemalla uuta vaakariveittäin vasemmalta oikealle saamme Calkinin-Wiln jonon,,,,,,, 4,..., jossa jokainen ositiivinen rationaaliluku esiint täsmälleen kerran. Todistamme tämän väitteen. Todistus koostuu kolmesta erillisestä induktioeriaatteen sovelluksesta. Induktioeriaatetta käsitellään esimerkiksi kirjassa []. ( )

Lause. Calkinin-Wiln jonon jokainen luku on suistetussa muodossa. Todistus. Jonon ensimmäinen luku toteuttaa vaaditun ehdon. Jos / on jonossa ja st(, ) =, niin st(, + ) = st( +, ) =, joten mös x:n jälkeläiset ovat suistetussa muodossa. Induktioeriaatteen mukaan jonon kaikki luvut ovat suistetussa muodossa. Lause. Calkinin-Wiln jono sisältää kaikki ositiiviset rationaaliluvut. Todistus. Jonossa ovat kaikki rationaaliluvut /, joille st(, ) = ja + =, nimittäin luku /. Olkoon k kokonaisluku. Teemme induktiooletuksen, jonka mukaan jonossa ovat kaikki ositiiviset rationaaliluvut s/r, joille st(s, r) = ja s + r < k. Olkoon nt / sellainen ositiivinen rationaaliluku, että st(, ) = ja + = k. Jos <, niin on induktiooletuksen mukaan jonossa, sillä st(, ) = ja + = < k. Täten / on :n vj :nä jonossa. Samalla tavalla näemme, että jos >, niin / on jonoon kuuluvan luvun oj ja on täten jonossa. Induktioaskel on näin todistettu ja induktioeriaatteesta seuraa, että jonossa ovat kaikki ositiiviset rationaaliluvut /, joille st(, ) = ja + = k kaikilla k Z, k. Tämä kattaa kaikki ositiiviset rationaaliluvut. Lause. Calkinin-Wiln jonossa ei ole kahta samaa lukua. Todistus. Luku esiint jonossa vain kerran. Jokainen muu jonon luku on joko vj (< ) tai oj (> ), joten riittää, että todistetaan kaikki vj :t ja vastavasti kaikki oj :t keskenään erisuuriksi. Jonon 7 ensimmäistä lukua ovat keskenään erisuuria ja niissä osoittajan ja nimittäjän summa on 5. Olkoon k 5 kokonaisluku. Teemme induktio-oletuksen, jonka mukaan jonon kaikki luvut /, joille + < k, ovat keskenään erisuuria. Olkoot m/n ja r/s kaksi jonossa olevaa ehdot m + n = k ja r + s = k toteuttavaa vj :tä. Luvut m n m ja = r s r ovat jonossa ja induktio-oletuksen mukaan erisuuret, sillä st(m, n m) = st(m, n) = ja st(r, s r) = st(r, s) = sekä m + n m = n < k ja r + s r = s < k. Ehdosta x eli m n m r s r ( )

seuraa välittömästi, että m/n ja r/s ovat erisuuret. Samalla tavalla todistetaan, että kaikki oj :t, joiden osoittajan ja nimittäjän summa on k, ovat keskenään erisuuria. Jätämme lukijan ohdittavaksi, miksi samanuoleiset jälkeläiset a/b ja c/d ovat erisuuret, jos a + b c + d. Jos siis kaikki jonon luvut /, joille + < k, ovat keskenään erisuuria, niin mös kaikki jonon luvut u/v, joille u + v k ovat keskenään erisuuria kaikilla k Z, k. Induktioaskel on näin todistettu ja induktioeriaatteen mukaan kaikki jonon luvut ovat erisuuria. Johdamme louksi rekursiokaavan Calkinin-Wiln jonon lukujen laskemiseksi. Siihen tarvitsemme jonon luvun x korkeamman kertaluvun jälkeläisiä, mitkä määrittelemme ensin. Näimme edellä, että jos x on jonon termi, niin x:n oj on x+. Luvun x toisen kertaluvun oj on x:n oj :n oj eli (x + ) + = x +. Näin jatkamalla saamme x:lle kertalukua k olevan oj :n; se on x + k. Koska x:n vj on x/( + x), on x:n toisen kertaluvun vj x/( + x) ja leisesti kertalukua k oleva x:n vj on x/( + kx). Sijoittamalla saatuihin kaavoihin k = 0 saamme x:n nollannen kertaluvun jälkeläiset. Kumikin niistä on luku x itse. Puun rakenteesta havaitsemme, että ensimmäistä termiä lukuunottamatta jonon mielivaltainen termi x on erään jonossa aikaisemmin esiintneen termin vasemmanuoleisen jälkeläisen k:nnen kertaluvun oj, missä k N. Jos x ei ole uun minkään vaakarivin oikeassa reunassa, niin x:n oikealla uolella oleva luku, luvun x seuraaja jonossa, on uolestaan jo mainitun termin oikeanuoleisen jälkeläisen k:nnen kertaluvun vj. Kuvio havainnollistaa asiaa. + +...... + + k + +k(+) Luvun + + k seuraaja on siis + + k( + ). 4 ( )

Merkitsemme luvun x kokonaisosaa ja murto-osaa smboleilla [x] ja {x}. Koska k +, on [x] = k ja {x} =, joten saamme x:n seuraajan + + muotoon + + k( + ) = k + + = k + + = [x] + {x}. Jätämme lukijan todennettavaksi, että johdettu kaava antaa x:n seuraajan mös silloin, kun x on uun oikeassa reunassa. Seuraajakaavan avulla saamme määriteltä Calkinin-Wiln jonon (x n ) rekursiivisesti: x = ja x n+ = [x n ] + {x n } kaikilla n Z +. Kirjallisuutta. M. Aigner, G. Ziegler, Proofs from THE BOOK, Third edition, Sringer 004.. J. Merikoski, A. Virtanen, P. Koivisto, Johdatus diskreettiin matematiikkaan, WSOY 004.. N. Calkin ja H. Wilf, Recounting the rationals. Amer. Math. Monthl 07 (000), 60-6. 4. The On-Line Enckloedia of Integer Seuences, htt://www.research.att.com/ njas/seuences/ 50905 5 ( )