Bourbaki

习题 13, § 1

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一般拓扑, VII

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阶 nn (nn 整数 > o) 的 Farey 级数 是有理数数 p/qp/q 的集合 FnF_n 在其最低项中,使得 0≤p≤q≤n0 \leq p \leq q \leq n 排列在递增阶(即 Farey 级数是 序列)。

a) 证明如果两个有理数数 r=p/q,r′=p′/q′r = p/q, r' = p'/q' 满足p′q−pq′=±1p'q - pq' = \pm 1,则整数 (p′′,q′′)(p'', q'') 的每个对都可以用形式 p′′=px+p′y,q′′=qx+q′yp'' = px + p'y, q'' = qx + q'y 表示,其中xx 和yy 为整数。分数 p′′/q′′p''/q'' 属于到端点为 rr 和 r′r' 的闭区间当且仅当 xx 和 yy 具有相同的符号。

b) 从a)推导出,如果r=p/qr = p/q和r′=p′/q′r' = p'/q'是[0,1][0, 1]中的两个有理数数,使得q>0q > 0、q′>0q' > 0和qp′−pq′=±1qp' - pq' = \pm 1,则rr和r′r'在元素中是连续的序列FnF_n,其中n=max⁡(q,q′)n = \max(q, q')。此外,最小的整数mm使得FmF_m的端点为rr和r′r'包含点的开区间为m=q+q′m = q + q',并且只有一个点该区间内的Fq+q′F_{q+q'},即分数(p+p′)/(q+q′)(p + p')/(q + q')。

c) 相反,如果rr和r′r'是FnF_n的两个连续的元素,我们就有p′q−pq′=±1p'q - pq' = \pm 1(使用归纳法在nn上)。

d) 从 c) 中推出,对于每个实数 θ∈[0,1]\theta \in [0, 1] 和每个整数 n≥1n \geq 1,在其最低的项中至少存在一个分数 p/qp/q,使得 1≤q≤n1 \leq q \leq n 和 ∣θ−p/q∣≤1/(n+1)q|\theta - p/q| \leq 1/(n + 1)q (cf.) 习题10)。

e) 如果 p/qp/q 是其最低项中的一个分数,使得 ∣θ−p/q∣<1/q2|\theta - p/q| < 1/q^2,则 θ\theta 属于到开区间,其端点是与 p/qp/q 连续的 Farey 级数 FqF_q 的两个项。

解答

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