Spirala Ulama (spirala liczb pierwszych) - część 2 - czyli funkcja kwadratowa i zabawy z rekurencją (część 5)

W części 1 wpisu na temat Spirali Ulama zaznaczyłem, że efekt wizualnego ułożenia liczb pierwszych na diagonalach spirali kwadratowej jest konsekwencją głównie dwóch własności:

  1. Na przekątnych są albo same liczby parzyste, albo same liczby nieparzyste, zatem tylko diagonale z liczbami nieparzystymi będą agregować liczby pierwsze;
  2. Niektóre diagonale zagęszczają bardziej liczby pierwsze niż inne, co wynika z zależności pomiędzy przekątnymi i funkcją kwadratową oraz faktem, że niektóre funkcje kwadratowe generują więcej liczb pierwszych niż inne.

Dzisiejszy tekst poświęcę przybliżeniu własności nr 2.

Wielomiany i rekurencja

Funkcja kwadratowa i rekurencja

Dla wielomianów możemy zawsze podać ich postać rekurencyjną, Jest to własność mało znana, jednak dosyć prosta w uzasadnieniu. Pokażę to na przykładzie funkcji kwadratowej, jednocześnie wzbogacając cykl "Zabawy z rekurencją" 🙂

f(x) = ax^2+bx+c

Rozważmy następnie równanie

f(x+1)=f(x)+Bx+C

Podstawiając i upraszczając...

a(x+1)^2+b(x+1)+c=ax^2+bx+c+Bx+C

ax^2+2ax+a+bx+b+c=ax^2+bx+c+Bx+C

2ax+a+b=Bx+C

2a=B    oraz    a+b=C

otrzymujemy

a=\frac{B}{2}    oraz    b=C-a

Następnie analizując f(1) mamy

f(1)=a+b+c    zatem    c=f(1)-a-b

c=f(1)-a-(C-a)=f(1)-C

Wniosek: jeśli znana jest relacja rekurencyjna f(x+1)=f(x)+Bx+C oraz znamy wartość f(1) to jesteśmy w stanie jednoznacznie wskazać równanie kwadratowe ax^2+bx+c spełniające daną zależność rekurencyjna, gdzie

a=\frac{B}{2},    b=C-a,    c=f(1)-C

Uogólnienia dokonujemy na bazie dwumianu Newtona

(x+1)^n = {n\choose 0}x^n+{n\choose 1}x^{n-1}+{n\choose 2}x^{n-2}+\ldots+{n\choose {n-1}}x+{n\choose n}

Funkcja kwadratowa i linie proste / przekątne na spirali Ulama

Poniżej spróbuję pokazać w jaki sposób "nawiajnie prostej na kwadrat" sprawia, że parabole w efekcie otrzymują kształt linii prostych.

Przykład 1 - Pionowa prosta

Spirala Ulama - równanie prostej 1

Zapisujemy zależność rekurencyjną

f(1)=4

f(2)=f(1)+1+2+3+3+2

f(3)=f(2)+2+3+5+5+3

\ldots

f(n+1)=f(n)+n+2n+(2n+1)+(2n+1)+(n+1)

f(n+1)=f(n)+8n+3

Teraz, korzystając z wyprowadzonego wcześniej wzoru, wyznaczamy współczynniki a, b, c funkcji kwadratowej spełniającej f(n+1)=f(n)+8n+3.

a=\frac{8}{2}=4,    b=3-4=-1,    c=4-3=1

f(n)=4n^2-n+1

Dla testu czy wszystko jest ok sami podstawcie n=1,2,3\ldots

Przykład 2 - Przękątna (linia diagonalna)

Spirala Ulama - równanie prostej 2

Ponownie zapisujemy zależność rekurencyjną, tym razem nieco prostszą.

f(1)=3

f(2)=f(1)+2+2+3+3

f(3)=f(2)+4+4+5+5

\ldots

f(n+1)=f(n)+n+2n+2n+(2n+1)+(2n+1)

f(n+1)=f(n)+8n+2

Korzystając ze znanego wzoru wyznaczamy a, b, c dla f(n+1)=f(n)+8n+2.

a=\frac{8}{2}=4,    b=2-4=-2,    c=3-2=1

f(n)=4n^2-2n+1

W kolejnej części cyklu "o Spirali Ulama" podam wzory kilku przekątnych (czyli funkcji kwadratowych) generujących nienaturalnie dużo liczb pierwszych 🙂

Pozdrowienia,

Mariusz Gromada

Spirala Ulama (spirala liczb pierwszych) - część 1

W 1963 polski matematyk Stanisław Ulam uprzyjemniał sobie czas spędzany w trakcie "bardzo długiego i bardzo nudnego" wykładu. Rekreacja polegała na takim wypisywaniu kolejnych liczby naturalnych 1, 2, 3, ..., aby finalny kształt utworzył "spiralę kwadratową" . Poniżej przykład dla pierwszych 49 liczba naturalnych, spirala oczywiście nie kończy się na 49, chodzi jedynie o zobrazowanie zasady.

Spirala Ulama

W kolejnym kroku na tak przygotowanej "tablicy" Ulam oznaczył wszystkie liczby pierwsze

Spirala Ulamanastępnie usuwając pozostałe.

Spirala UlamaW tym momencie jego oczom ukazał się niezwykle ciekawy i nieznany dotąd wzór - tendencja do układania się liczb pierwszych na "przekątnych / liniach diagonalnych". Lepiej to obrazuje spirala wygenerowana dla znacznie większego zakresu liczb.

Spirala Ulama

Każdy z Was może wygenerować podobną spiralę używają np. tego generatora.

Spirala Ulama i parzystość / nieparzystość liczb

Nietrudno zauważyć, że na liniach diagonalnych leżą albo same liczby parzyste, albo same liczby nieparzyste. Liczby pierwsze, poza 2, są nieparzyste - zatem nic dziwnego, że układają się na przekątnych reprezentujących liczby nieparzyste. Zaskakujące jest natomiast to, że niektóre diagonale zawierają ich znacznie więcej niż inne.

Spirala Ulama i wielomiany kwadratowe

Badania nad spiralą Ulama pokazały, że wzory przez nią ujawnione mają związek z generację przez niektóre funkcje kwadratowe nienaturalnie dużej liczby liczb pierwszych (ang. prime-rich quadratic polynomials), tzn. dla niektórych f(x)=ax^2+bx+c "nienaturalnie" często f(n) jest liczbą pierwszą dla n\in\mathbb{N}. Diagonale mogą być reprezentowane przez wielomiany stopnia 2, co wyjaśniam na poniższym schemacie.

Spirala Ulama i wielomiany stopnia 2

Przeczytaj również:

Pozdrowienia,

Mariusz Gromada