2012年11月22日 星期四

a^2+b^2=p with p a prime of the form 4k+1


If p is a prime, and p1 mod 4, then there exists 2 positive integers a and b such that a2+b2=p. Without loss of generality, we can let a be an odd integer and b be an even integer.

Pf

(existence)
Since p1 mod 4, there is a character χ of order 4. The value of χ is {1, i, -1, -i}. Thus the Jocabi sum J(χ,χ)=a+bi with a, b integers. Using the fact that J(χ,χ)2=p, we have a2+b2=p.

(uniqueness)
Let z=a+bi. If z=z1z2, z2=z12z22=p, a prime, so either z1 or z2 is a unit. Let z1=m+ni belongs to Z[i] with mn0 and z12=m2+n2=p, and assume z2=x+yi/p with x and y nonzero integers (the denominator p of z2 is by simple calculation that z2=(a+bi)/(m+ni)=(a+bi)(m-ni)/p). Since p×z=z1×(x+yi), but p and z are primes in Z[i] and Z[i] is a UFD, notice that z1=m+ni with mn0, we have z1=z×u and x+yi=p×v, where u and v are units in Z[i], that is u, v belongs to {1, i, -1, -i}. The uniqueness of a and b up to conditions is proved.

√n的有理逼近(直式開方法、連分數逼近、算幾不等式逼近)





可利用平面圖形看出的乘法公式與級數和公式



圖解二元一次聯立方程式



碎形維度

碎形維度(Hausdorff dimension)的計算,簡言之,就是利用其自我相似的縮放比例關係來計算,而且它必須跟以往印象中整數維度的觀念不相違背。這裡講的相似,是指一個圖形經過縮放之後可以和另一個圖形重合,我們就說這兩個圖形相似,而自我相似就是將該圖形中的一部份放大,會跟原本的圖形重合,則稱它自我相似。簡單來說,若把圖形縮放1/r倍後,在整個圖形中可以得到k個和原本相似的圖形,列出k=rd的式子,則稱該圖形為d維的圖形*。以線段來說,若平均分割成n等分,則每一等分可視為縮放1/n倍,且每一等分的線段均與原來的線段相似,故可以得到n=nd,得d=1,即與平常印象中「線是一維圖形」相同。再看看正方形的Hausdorff維度是否仍為2:若將一正方形如下圖的方式切割成4(k=4),則每一小塊正方形的邊長都是原來的一半,即縮放1/2(r=2),代入k=rd,即4=2d,得d=2,即正方形為二維圖形。正立方體(正六面體)也可依照類似的方式來處理:縮放1/2倍,有8塊相似的小正立方體,可列式8=2d,得d=3()



我們可以看看Cantor setKoch curveSierpinski triangle等圖形的Hausdorff維度:


若將上圖當成Cantor set(實際上真正的Cantor set幾乎看不到線段的部份),下方的線段為量尺,將一線段裁去中間三分之一的部份,再將剩餘兩線段再裁去中間三分之一,一直無止盡的作下去,我們可觀察到若將原尺寸縮放1/3,可以在原圖形中得到2個一模一樣的Cantor set,故可列式2=3d,若能找出d的值,即為其維度。



上圖為Koch curve,可以看到若將其尺寸縮放1/3,一樣可以在原圖形中找到4個小尺寸的Koch curve,故可列式4=3d,這裡可以發現,Koch curve的維度恰好是Cantor set維度的2(why?)



從上圖可知Sierpinski triangle縮放1/2倍後,可得3個較小尺寸的Sierpinski triangle,可列式3=2d。當然,若將尺寸縮放1/4倍,可以得到9個更小尺寸的Sierpinski triangle,列出來的式子為9=4d,利用指數律的運算,可以知道這裡算出來的d值,和3=2d算出來的d值相同。(回頭檢驗Cantor setKoch curve,更改縮放尺寸之後,是否也有一樣的結果?)

前幾例的維度,很明顯可以知道不可能是正整數(不過,至少還可以判斷出其維度介於哪兩個整數之間),實際上,若b=ad,我們可以把d的值記為logab,以碎形維度的簡單定義方式:若縮放1/r倍後可得<!--[if !msEquation]--> <!--[endif]-->個和原本相似的圖形,所列出k=rdd值即為logrk。所以Cantor set的維度為log32Koch curve的維度為log34 Sierpinski triangle的維度為log23


*維度不只有Hausdorff dimension的定義,還有其他的定義方式。實際上Hausdorff dimension的嚴格定義較本文描述的方式嚴謹,有興趣者可以參看林琦焜教授在中研院數學所發行的《數學傳播》第25卷第1期的文章〈碎形專題-從Cantor集到碎形〉,或是上Wikipedia網站搜尋Hausdorff dimension

碎形

我父親六十歲農曆大壽當天,我卻獲悉另外兩個不太妙的消息:我家的貓死掉了、曼德布洛特也死掉了(C’est la vie!)。家父生日和貓死掉算是家務事,但曼德布洛特這位大師的殞落,就算是數學界甚至是整個科學界的新聞了。

曼德布洛特(Benoît Mandelbrot, 1924,11,20-2010,10,14)是位法裔美籍的數學家,出生於波蘭華沙,1936年全家搬到法國,1958年定居於美國。他在1975年的時候創造了「碎形(fractal)」這個字,fractal取自拉丁文「fractus」,意思是碎裂、不規則的石頭。碎形並不是一個特定的形狀,簡略來說,一個可以稱為碎形的圖案,必須可以有任意小的尺度,而且是自我相似(self-similar)或幾乎是自我相似的,用歐氏幾何的語言幾乎無法描述它,以致於在計算其維度時,需要重新定義「維度」的概念:Hausdorff維度(Hausdorff dimensionHausdorff也是一位數學家),利用碎形自我相似的比例來計算。碎形的圖形算出來的維度多半不是整數維度。

其實早在十九世紀末的時候,數學家就發現了碎形(當然,碎形的名稱在當時仍未出現),最早被發現的碎形叫「康托集合」(Cantor Set),在西元1883年由德國數學家Georg Cantor發現並命名,它是將線段抹去中間的三分之一(不含端點),再將剩餘的兩段,各自抹去中間的三分之一,以此類推,無限次做下去。以下是製作康托集合的前五個步驟:


康托集合的維度介於點和線的維度之間,其值為,約等於0.6309



西元1904年時,瑞典數學家馮柯赫(Helge von Koch)發明了一種特別的曲線:柯赫曲線(下圖),作法是將一條線段中間的三分之一,往上拉出一個正三角形,再把這個三角形的底部去掉,每一段再重覆這個步驟,作無限多次,可以得到維度為(約為1.2619)的圖形,若一開始由正三角形的三邊往外拉出柯赫曲線,就稱為柯赫雪花(下下圖)。若仔細計算,可以發現柯赫雪花的周長無限,但圍起來的面積卻是有限的。柯赫曲線中,每一個步驟中所建立的V字型若隨機往上或往下,得到的曲線看起來會變得凹凹凸凸如海岸線一樣。自然界中有許許多多的碎形,像海岸線、雲朵等,甚至人體內血管的分佈情形也是碎形。


柯赫曲線

柯赫雪花

維度為(約為1.5850)的沙賓斯基三角形(如下圖),是在1916年由波蘭數學家沙賓斯基(Waclaw Sierpinski, 1882-1969)造出來的,作法是將實心三角形沿著各邊中點連線,挖去中間的三角形,重覆此動作無限多次,其面積為0

沙賓斯基三角形

     除了柯赫曲線、沙賓斯基三角形這種維度不為整數的圖形之外,義大利數學家皮亞諾(Giuseppe Peano, 1858-1932)1890年發表一種可以填滿平面的曲線,也震撼了當時的數學界。在數學上,「線」是一維的物件,能計算長度,但沒有寬度,要拿線來填滿二維的平面,怎麼可能呢?皮亞諾確實辦到了,他發現一種方式,可以在平面中放入一條通過正方形內部每一個點的曲線,稱為皮亞諾曲線(下圖上),另一位數學家希爾伯特(David Hilbert, 1862-1943)在一年後也用另一個方式得到可以填滿二維平面的曲線(下圖下)Peano curveHilbert curveHausdorff維度都是2



 還有一些有趣的碎形圖案,是利用自我相似的性質,可以在電腦上用迭代的方式產生,如下面兩個常見的圖形:





 曼德布洛特就是在電腦上用簡單的迭代方程式,製造一種特別的集合,這個集合表現在複數平面上的點,實在令人著迷,它無法用「人工」的方式畫出來(以下的幾個圖形,都取自維基百科)。曼德布洛特考慮的是這類的迭代方程式,其中和常數都是複數,若令初始值代入後,迭代任意多次都能讓為有限的值,則將滿足這個條件的所構成的集合,叫做「曼德布洛特集」(Mandelbrot Set)。曼德布洛特集最吸引人的地方是,放大尺度來看,仍會發現本身仍然有曼德布洛特集在其內,若將能讓此迭代方程式發散的常數,依發散到無限遠點的速度予以著色,則無論在縮小任何尺度之下來看曼德布洛特集,都可得到目不暇己的繽紛圖案。

  [註]:以下圖案都是從維基百科中截取的。




【延伸閱讀】:
我們從網路上找幾張曼德布洛特集的圖案,有興趣的話也可以自行上網搜尋,或者翻閱一些相關的書籍:

天下文化出版社的《大自然的遊戲》(Ian Stewart著,葉李華譯)、《混沌》(James Gleick著,林和譯),部份的章節有談到碎形、混沌理論,混沌理論和碎形幾乎脫不了關連,由混沌理論的發展和應用,就可推知碎形的重要性。

牛頓出版社的《渾沌魔鏡》(John Briggs & F. David Peat著,王彥文譯)、商周出版社的《深奧的簡潔》(John Gribbin著,馬自恆譯)都更深入的介紹碎形。網路上的資料也相當多,維基百科(WIKIPEDIA)上可以看到相當多精美的曼德布洛特集的圖形,也介紹其他相關的知識和名詞,可以搜尋幾個關鍵字:MandelbrotMandelbrot setFractalJulia setSpace-filling curve等。










極限、無限



閏不閏?怎麼閏?


連續正整數的和



連分數



笛卡兒與直角座標系



畢氏三元數




鬼腳圖



函數