Математические байки

(M = Monsieur = господин)

А по соседству с его статьёй опубликован отзыв (правда, странный) на будущую знаменитую Disquisitiones arithmeticae некоего господина Гаусса из Брунсвика.

Ну и ответ на первый — стоит там C.-en, то есть Citoyen, гражданин:

Отпечатано в месяце мессидоре года десятого!

Конечно же, ответ на второй вопрос не мог бы быть 1802 или 1801 или 1803 — было бы неинтересно. :) Но если вспомнить, что в это время во Франции происходило —

Два связанных исторических вопроса, которые я люблю задавать, когда рассказываю про работу Haros: 1) Что стоит перед фамилией Haros? 2) Какой год стоит на титульном листе журнала, опубликованного в 1802 году?

Каковой Haros, увы, остался незаслуженно забыт.

Это письмо попало на глаза Коши, который обрадовался, немедленно всё доказал, и назвал такие последовательности дробей последовательностями Фарея. Но ещё в 1802 году, за 14 лет до того, в Journal de l'École Polytechnique появилась статья Charles Haros:

А последнее, что я тут хотел упомянуть — это кусочек истории. Фарей был английским геологом, и опубликовал это свойство таких последовательностей без доказательства в 1816 году в Philosophical Magazine —

(И конечно же, подходящие дроби появляются среди тех, которые будут ближайшими к x сверху и снизу в последовательностях Фарея разного порядка — а многогратная замена одной из них на медианту с другой это и есть описанный у Арнольда "алгоритм вытягивания носов".)

Конечно же, эту теорему можно доказать и без этой науки, с помощью принципа Дирихле, рассмотрев точки 0,x,2x,...,Nx на окружности R/Z длины 1; две их них ближе, чем 1/N — а тогда их разность ближе, чем 1/N, к 0 на окружности R/Z, то есть |qx-p|<1/N для некоторого целого p.

Действительно, пусть x на отрезке [0,1] (добавить целое число уж точно можно); рассмотрим последовательность Фарея порядка N и тот отрезок c/d < x < a/b, куда наше приближаемое число попало. Раз медианта e/f=(a+c)/(b+d) уже не вошла в последовательность Фарея, то у неё слишком большой знаменатель f=b+d>N. Подотрезки, на которые она делит наш отрезок, имеют длину 1/bf (со второй вершиной a/b) и 1/df (со второй вершиной c/d). Соответственно, берём тот из них, куда попала наша точка x, и берём вторую вершину в качестве приближения. Победа!

Отсюда же, кстати, следует и теорема Дирихле о приближении — что для любого N любое вещественное число x можно приблизить дробью p/q, со знаменателем q, не большим N, так, чтобы |x-p/q| < 1/Nq.

Ибо у треугольника с вершинами O=(0,0), A=(a,b), B=(c,d) других целых точек нет ни внутри (иначе бы a/b и c/d не были соседними в последовательности Фарея), ни на границе (по той же причине для стороны AB и потому что дроби несократимы для сторон OA и OB). А по формуле Пика его площадь — которая есть половина площади соответствующего параллелограмма — тогда равна 3/2 - 1 = 1/2.

На самом деле, сумма двух выводов выше доказывает по индукции и то, и другое, но в этом проще убедиться самостоятельно. С другой стороны — то, что в числителе разности всегда 1, можно увидеть из формулы Пика.