Тождество Эрмита

Pause


То́ждество Эрми́та — тождество в элементарной теории чисел, описывающее свойство целой части числа.

Формулировка

Для любого вещественного числа и целого имеет место равенство:

(тождество Эрмита); здесь обозначает целую часть («пол»).

«Это до некоторой степени удивительный результат, ибо функция пол является целочисленной аппроксимацией вещественнозначной величины — тем не менее, отдельное приближение слева равняется сумме их целой компании справа. Если считать, что — это, грубо говоря, в среднем, то левая часть, грубо говоря, равна примерно , в то время как правая часть — это приблизительно . Но сумма всех этих грубых приближений оказывается величиной точной!»

Частным случаем тождества Эрмита является следующая формула разложения целого числа (получаемая заменой на ):

Доказательства

В своей оригинальной работе (1885)[2] для доказательства указанного тождества Ш. Эрмит использовал аппарат производящих функций. В дальнейшем были опубликованы многочисленные более простые доказательства, некоторые из которых приведены ниже.

Доказательство Штерна

Следующее элементарное доказательство принадлежит М. А. Штерну (1886)[3]. Существует (однозначно определённое) целое , для которого выполнено двойное неравенство:

Умножая все части этого неравенства на , получим

откуда

.

Из также получим оценки:

и

то есть:

Отсюда сразу следует, что каждое из слагаемых

равно , а каждое из слагаемых

равно . Поэтому сумма всех этих слагаемых равна

Доказательство Пойа и Сегё

Из равенства , верного для произвольных , следует, что для доказательства тождества Эрмита достаточно рассмотреть случай . Пусть (в этом предположении) целое выбрано так, что

Отсюда последовательно получаем:

то есть и тогда .

Из также сразу следует, что каждое из слагаемых

равно , а каждое из оставшихся слагаемых

равно . Таким образом, обе части доказываемого равенства равны .

Это доказательство было опубликовано Д. Пойа и Г. Сегё в первом издании их знаменитого сборника задач и теорем из анализа (1925)[4].

Доказательство Мацуоки

Следующее короткое доказательство, основанное на функциональном тождестве, принадлежит Ёсио Мацуоке (1964)[5]. Рассмотрим (для фиксированного ) вещественную функцию:

Тождество Эрмита будет установлено, если будет доказано, что эта функция тождественно равна нулю. Для любого имеем:

(поскольку и ). Вместе с тем, очевидно, при . Поэтому для всех .

Доказательство с помощью формулы разложения целого числа

Формулу разложения легко доказать без применения тождества Эрмита — например, индукцией по (формула верна для , и, если она верна для , то верна и для ), либо (что, по существу, то же самое) методом, аналогичным методу Мацуоки, описанным выше: рассмотреть, при фиксированном , функцию, определённую для всех равенством:

и заметить, что и для всех , откуда заключить, что .

Далее, тождество Эрмита можно вывести из формулы , если в ней положить и воспользоваться равенством[1]:

верным для произвольных и , .

Применение

  • Быстрое вычисление сумм

Пример. Найти .

По тождеству Эрмита (при (n=3)) :.

Вместо трёх выражений считаем одно.

  • Теория чисел (оценки и делимость)

Пример. Нужно оценить сумму .

Тождество Эрмита даёт .

Это используется в доказательствах делимости и при работе с остатками.

  • Упрощение сложных сумм

Пример: .

По Эрмиту: .

Без формулы пришлось бы считать 5 значений отдельно.

  • Олимпиадные задачи

Типичная задача:

Найти .

Через преобразования и идеи Эрмита можно группировать слагаемые и переводить сумму в более простую форму.

  • Анализ равномерного распределения

Тождество Эрмита показывает, что числа вида распределяются равномерно по единичному отрезку.

Это используется в теории равномерного распределения, численных методах, криптографии.

Примечания

  1. ↑ 1 2 Конкретная математика, 1998, с. 108.
  2. ↑ Hermite Ch. Sur quelques conséquences arithmétiques des formules de la théorie des fonctions elliptiques (Extrait du Bulletin de l’Acad. Sci. St. Pétersb. T. 29) (фр.) // Acta Math. — 1885. — Vol. 5. — P. 297–330..
  3. ↑ Stern M. A. Sur un théorème de M. Hermite relatif à la fonction E(x) (фр.) // Acta Math. — 1886. — Vol. 8. — P. 93–96..
  4. ↑ Pólya G., Szegö G. Aufgaben und Lehrsätze aus der Analysis (нем.). — Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. — Bd. II: Functiontheorie, Nullstellen, Polynome, Determinanten, Zahlentheorie. — S. 118, 324. — (Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Enzeldarstellungen; Bd. XX).; см. также русский перевод 3-го немецкого издания (1964): Полиа Г., Сеге Г. Задачи и теоремы из анализа. Ч. 2: Теория функций (специальная часть). Распределение нулей. Полиномы. Определители. Теория чисел. / Пер. с нем. Д. А. Райкова. — 3-е изд. — М.: Наука, 1978. — С. 131, 346. — 431 с.
  5. ↑ Matsuoka Y. On a Proof of Hermite's Identity (англ.) // The American Mathematical Monthly. — 1964. — Vol. 71, iss. 10. — P. 1115. — doi:10.2307/2311413 . — JSTOR 2311413..

Литература

Категории

Pause