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Göbel 序列


考虑递推关系

 x_n=(1+x_0^2+x_1^2+...+x_(n-1)^2)/n,
(1)

其中 x_0=1x_n 的前几项迭代为 1, 2, 3, 5, 10, 28, 154, ... (OEIS A003504)。这些项增长极快,但由渐近公式给出

 x_n approx (n+2-n^(-1)+4n^(-2)-21n^(-3)+138n^(-4)-1091n^(-5)+...)C^(2^n)
(2)

(OEIS A116603;修正了 Finch 2003, p. 446),其中

 C=1.04783144757641122955990946274313755459...
(3)

(OEIS A115632;Finch 2003, p. 446;Zagier)。

使用变换后的序列更方便

 s_n=2+x_1^2+x_2^2+...+x_(n-1)^2=nx_n,
(4)

它给出了新的递推式

 s_(n+1)=s_n+(s_n^2)/(n^2)
(5)

初始条件为 s_1=2。此序列的前几项为 2, 6, 15, 40, 140, 924, 24640, ... (OEIS A061322)。现在,当且仅当 ns_n 时,s_(n+1) 将为非整数 当且仅当 ns_n。最小的素数 p 使得 s_p≢0 (mod p) 因此给出了最小的非整数 s_(p+1)。此外,由于 ps_px_p=s_p/p 也将是最小的非整数 x_p

例如,以下表格总结了前几个序列 {s_n (mod p)}_(n=1)^p。(请注意,应用于分数的同余会产生整数值。)

p{s_n (mod p)}_(n=1)^p
20, 0
32, 0, 0
52, 1, 0, 0, 0
72, 6, 1, 5, 0, 0, 0
112, 6, 4, 7, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0
132, 6, 2, 1, 10, 1, 5, 1, 0, 0, 0, 0, 0
172, 6, 15, 6, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 0

虽然对于 np 的小值,可以显式计算 s_n(以及因此它们模 p 的值),但分数很快就会变得太大而无法精确表示。但是,直接计算模 p 的项可以避免项的增长,并且以这种方式测试 p 的值表明,第一个非整数 x_px_(43)。正如预期的那样,直接验证这一事实是不可能的,因为

 x_(43) approx 5.4093×10^(178485291567)
(6)

(使用渐近公式计算得出)太大而无法显式计算和存储。 p 的前几个值,对于这些值,x_p 不是整数,是 43, 61, 67, 83, 103, 107, 109, 157, ... (OEIS A378851)。

一个更引人注目的序列是 3-Göbel 序列,它仅对有限多个项假设整数值

 x_n=(1+x_0^3+x_1^3+...+x_(n-1)^3)/n.
(7)

此序列的前几项为 1, 2, 5, 45, 22815, ... (OEIS A005166)。

Göbel 序列可以推广到 k 次幂,通过

 x_n=(1+x_0^k+x_1^k+...+x_(n-1)^k)/n.
(8)

Göbel 序列可以推广到 (k,l)-Göbel 序列,由递归定义

 (n+1)g_(k,l)(n+1)=g_(k,l)(n)(n+g_(k,l)(n)^(k-1))
(9)

对于整数 k,l>=2 且初始值为 g_(k,l)(1)=l (Ibstedt 1990, Gima et al. 2024)。


另请参见

Somos 序列

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Finch, S. R. Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 446, 2003.Gima, H.; Matsusaka, T.; Miyazaki, T.; and Yara, S. "On Integrality and Asymptotic Behavior of the (k,l)-Göbel Sequences." 2024 年 2 月 14 日。 https://arxiv.org/pdf/2402.09064.Guy, R. K. "The Strong Law of Small Numbers." Amer. Math. Monthly 95, 697-712, 1988.Guy, R. K. "A Recursion of Göbel." §E15 in Unsolved Problems in Number Theory, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, pp. 214-215, 1994.Ibstedt, H. "Some Sequences of Large Integers." Fib. Quart. 28, No. 3, 200-203, 1990.Sloane, N. J. A. Sequences A003504/M0728, A005166/M1551, A061322, A115632, A116603, 和 A378851 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Stone, A. "The Astonishing Behavior of Recursive Sequences." Quanta. 2023 年 11 月 16 日。 https://www.quantamagazine.org/the-astonishing-behavior-of-recursive-sequences-20231116.Zaiger, D. "Solution: Day 5, Problem 3." http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~john/Zagier/Solution5.3.html.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

Göbel 序列

请引用为

Weisstein, Eric W. "Göbel's Sequence." 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/GoebelsSequence.html

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