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小数部分


函数 frac(x) 给出实数 x 的小数(非整数)部分。符号 {x} 有时被用来代替 frac(x) (Graham 等,1994,第 70 页;Havil 2003,第 109 页),但由于可能与包含元素 x 的集合混淆,因此本作品中未使用此符号。

FractionalPart

遗憾的是,对于 frac(x)x<0 的含义没有普遍的共识,并且有两个常见的定义。设 |_x_| 为向下取整函数,则 Wolfram 语言命令FractionalPart[x] 定义为

 frac(x)={x-|_x_|   x>=0; x-[x]   x<0
(1)

(左图)。这个定义的好处是 frac(x)+int(x)=x,其中 int(x)x 的整数部分。虽然 Spanier 和 Oldham (1987) 使用与 Wolfram 语言相同的定义,但他们只是非常简短地提到了这个公式,然后表示不会进一步使用。Graham 等 (1994,第 70 页),以及也许大多数其他数学家,使用不同的定义

 frac(x)=x-|_x_|,
(2)

(右图)。

FractionalPartReImAbs
最小值 最大值
Re
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小数部分函数也可以扩展到复平面,定义为

 frac(x+iy)=frac(x)+ifrac(y)
(3)

如上图所示。

由于关于小数部分/值和整数部分/值的用法可能会令人困惑,下表总结了使用的名称和符号。这里,S&O 指的是 Spanier 和 Oldham (1987)。

符号名称S&OGraham 等人Wolfram 语言
[x]天花板函数--天花板, 最小整数Ceiling[x]
mod(m,n)同余----Mod[m, n]
|_x_|地板函数Int(x)地板, 最大整数, 整数部分Floor[x]
x-|_x_|小数值frac(x)小数部分或 {x}SawtoothWave[x]
sgn(x)(|x|-|_|x|_|)小数部分Fp(x)无名称FractionalPart[x]
sgn(x)|_|x|_|整数部分Ip(x)无名称IntegerPart[x]
nint(x)最近整数函数----Round[x]
m\n----Quotient[m, n]

与后一个定义相对应的(可能缩放的)周期性波形被称为锯齿波。

FractionalPartIntegral

上面所示的 1/x 的小数部分具有有趣的解析积分

int_(1/2)^1frac(1/x)dx=int_(1/2)^1(1/x-1)dx
(4)
=ln2-1/2
(5)
int_(1/3)^(1/2)frac(1/x)dx=int_(1/3)^(1/2)(1/x-2)dx
(6)
=ln3-ln2-1/3
(7)
int_(1/4)^(1/3)frac(1/x)dx=int_(1/4)^(1/3)(1/x-3)dx
(8)
=ln4-ln3-1/4.
(9)

积分

 I=int_0^1frac(1/x)dx
(10)

因此是由下式给出的伸缩和

I=lim_(n->infty)[lnn-sum_(k=2)^(n)1/k]
(11)
=lim_(n->infty)(1+lnn-H_n)
(12)
=1-gamma,
(13)

其中 gamma 是欧拉-马歇罗尼常数,H_n 是调和数。

FractionalPartIntegral2

另一个可以用闭合形式完成并给出相同结果的相关积分是

 int_1^infty(frac(x))/(x^2)dx=1-gamma
(14)

(Havil 2003, pp. 109-111)。

FractionalPartNLogN

上面的图显示了 nlnn1<=n<=10^5 范围内的小数部分,显示了特征间隙(Trott 2004,p. 223)。

Weyl 准则的一个结果是,对于无理数 x,序列 {frac(nx)} 在区间 [0,1] 内是稠密的且等分布的,其中 n=1, 2, ... (Finch 2003)。


另请参阅

Beatty 序列, 天花板函数, 等分布序列, 地板函数, 高斯映射, 整数部分, Mod, 最近整数函数, 幂小数部分, , 锯齿波, 移位变换, 截断, 整数

相关的 Wolfram 网站

http://functions.wolfram.com/IntegerFunctions/FractionalPart/

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Finch, S. R. "Powers of 3/2 Modulo One." §2.30.1 in Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 194-199, 2003.Graham, R. L.; Knuth, D. E.; and Patashnik, O. Concrete Mathematics: A Foundation for Computer Science, 2nd ed. Reading, MA: Addison-Wesley, 1994.Havil, J. Gamma: Exploring Euler's Constant. Princeton, NJ: Princeton University Press, pp. 109-110, 2003.Miklavc, A. "Elementary Proofs of Two Theorems on the Distribution of Numbers {nx} (mod 1)." Proc. Amer. Math. Soc. 39, 279-280, 1973.Sloane, N. J. A. Sequence A000079/M1129 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Integer-Value Int(x) and Fractional-Value frac(x) Functions." Ch. 9 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 71-78, 1987.Trott, M. The Mathematica GuideBook for Programming. New York: Springer-Verlag, 2004. http://www.mathematicaguidebooks.org/.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

小数部分

请这样引用

Weisstein, Eric W. “小数部分。” 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/FractionalPart.html

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