Numerieke aspecten van de vergelijking van Cantor. Opgedragen aan Th. J. Dekker. H. W. Lenstra, Jr.



Vergelijkbare documenten
Zomercursus Wiskunde. Module 1 Algebraïsch rekenen (versie 22 augustus 2011)

1 Limiet van een rij Het begrip rij Bepaling van een rij Expliciet voorschrift Recursief voorschrift 3

1. Orthogonale Hyperbolen

Zomercursus Wiskunde. Katholieke Universiteit Leuven Groep Wetenschap & Technologie. September 2008

TW2040: Complexe Functietheorie

1 Rekenen in eindige precisie

Overzicht Fourier-theorie

Hoofdstuk 1. Inleiding. Lichamen

Getaltheorie I. c = c 1 = 1 c (1)

1 Rekenen met gehele getallen

Combinatoriek groep 1

Hoofdstuk 3. Equivalentierelaties. 3.1 Modulo Rekenen

We beginnen met de eigenschappen van de gehele getallen.

Basisvaardigheden algebra. Willem van Ravenstein Den Haag

Instructies zijn niet alleen visueel, maar ook auditief, met hoogkwalitatief ingesproken geluid (geen computerstem).

Bijzondere getallen. Oneindig (als getal) TomVerhoeff. Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Wiskunde en Informatica

2 n 1. OPGAVEN 1 Hoeveel cijfers heeft het grootste bekende Mersenne-priemgetal? Met dit getal vult men 320 krantenpagina s.

3.2 Basiskennis De getallenlijn Symbolen, tekens en getallen. 92 Algebra. Inhoofdstuk1zijnaandeordegeweest: Het=teken. =staat.

Getallenleer Inleiding op codeertheorie. Cursus voor de vrije ruimte

Groepen, ringen en velden

vandaag is Annie twee jaar jonger dan Ben en Cees samen

Die moeilijke decibels.

2.1 Bewerkingen [1] Video Geschiedenis van het rekenen ( 15 x 3 = 45

1.1 Rekenen met letters [1]

Algebra, Les 18 Nadruk verboden 35

1.3 Rekenen met pijlen

Lineaire Algebra TW1205TI. I.A.M. Goddijn, Faculteit EWI 12 februari 2014

Oneindig in Wiskunde & Informatica. Lezing in de reeks Oneindig 3 oktober 2007 / Studium Generale TU Delft. Tom Verhoeff

EXACT- Periode 1. Hoofdstuk Grootheden. 1.2 Eenheden.

Kerstvakantiecursus. wiskunde B. Voorbereidende opgaven VWO. Haakjes. Machten

Nu een leuk stukje wiskunde ter vermaak (hoop ik dan maar). Optellen van oneindig veel getallen

8.1 Herleiden [1] Herleiden bij vermenigvuldigen: -5 3a 6b 8c = -720abc 1) Vermenigvuldigen cijfers (let op teken) 2) Letters op alfabetische volgorde

FLIPIT 5. (a i,j + a j,i )d i d j = d j + 0 = e d. i<j

Differentiequotiënten en Getallenrijen

Combinatoriek groep 1 & 2: Recursie

Examen Complexe Analyse (September 2008)

Machten, exponenten en logaritmen

8.1 Herleiden [1] Herleiden bij vermenigvuldigen: -5 3a 6b 8c = -720abc 1) Vermenigvuldigen cijfers (let op teken) 2) Letters op alfabetische volgorde

Wiskunde klas 3. Vaardigheden. Inhoudsopgave. 1. Breuken Gelijksoortige termen samennemen Rekenen met machten Rekenen met wortels 4

Examen G0U13 Bewijzen en Redeneren Bachelor 1ste fase Wiskunde. vrijdag 31 januari 2014, 8:30 12:30. Auditorium L.00.07

Ter Leering ende Vermaeck

Lineaire Algebra voor ST

Wortels met getallen en letters. 2 Voorbeeldenen met de (vierkants)wortel (Tweedemachts wortel)

Niet-standaard analyse (Engelse titel: Non-standard analysis)

1. Optellen en aftrekken

(iii) intervallen, bijvoorbeeld afgesloten intervallen zoals D = [0, 1] := {x en halfopen intervallen zoals D = (0, 1] := {x R 0 < x 1},

Kettingbreuken. 20 april K + 1 E + 1 T + 1 T + 1 I + 1 N + 1 G + 1 B + 1 R + 1 E + 1 U + 1 K + E + 1 N A + 1 P + 1 R + 1 I + 1

12. Uitwerkingen van de opgaven

( ) 8 ( ) 10. Nearby integers P.G. van de Veen, 19 juli en dát getal heeft al 960 cijfers voor de komma. Want. log 3 = 2010 log 3 > 959

6 Complexe getallen. 6.1 Definitie WIS6 1

V.2 Limieten van functies

te vermenigvuldigen, waarbij N het aantal geslagen Nederlandse munten en B het aantal geslagen buitenlandse munten zijn. Het resultaat is de vector

Complexe e-macht en complexe polynomen

Universiteit Leiden, 2015 Wiskundewedstrijdtraining, week 14

2.0 Voorkennis. Rekenregels machten: 5) a 0 = 1. p p q p q a p q q. p q pq p p p. Willem-Jan van der Zanden

De Riemann-hypothese

inhoudsopgave januari 2005 handleiding algebra 2

Eigenschap (Principe van welordening) Elke niet-lege deelverzameling V N bevat een kleinste element.

logaritmen WISNET-HBO update jan Zorg dat je het lijstje met rekenregels hebt klaarliggen als je met deze training begint.

Willem van Ravenstein

6.1 Kwadraten [1] HERHALING: Volgorde bij berekeningen:

3 Wat is een stelsel lineaire vergelijkingen?

Inhoud college 5 Basiswiskunde Taylorpolynomen

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: Logaritmen en getal e 1/3/2017. dr. Brenda Casteleyn

2.1 Bewerkingen [1] Video Geschiedenis van het rekenen ( 15 x 3 = 45

Lineaire Algebra voor ST

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

8. Differentiaal- en integraalrekening

Uitwerkingen Rekenen met cijfers en letters

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 23 december 2014

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: Logaritmen en getal e. 23 juli dr. Brenda Casteleyn

Bijlage 11 - Toetsenmateriaal

De dimensie van een deelruimte

Elementaire rekenvaardigheden

4 Positieve en niet-negatieve lineaire algebra

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: veeltermfuncties en berekening parameters, stelsels. 16 september dr.

Grafieken van veeltermfuncties

Opgaven bij het vormen van ruimte: van Poincaré tot Perelman

Rekenen met cijfers en letters

Nulpunten op een lijn?

Aanvullingen bij Hoofdstuk 6

Rekenkunde, eenheden en formules voor HAREC. 10 april 2015 presentator : ON5PDV, Paul

D-dag 2014 Vrijeschool Zutphen VO. D -DAG 13 februari 2014: 1+ 1 = 2. (en hoe nu verder?) 1 = 2en hoe nu verder?

Genererende Functies K. P. Hart

PARADOXEN 1 Dr. Luc Gheysens

Combinatoriek groep 2

5.1 Constructie van de complexe getallen

Veeltermen. Module Definitie en voorbeelden. Een veelterm met reële coëfficiënten in één veranderlijke x is een uitdrukking van de vorm

Complexe Analyse - Bespreking Examen Juni 2010

Antwoorden. 1. Rekenen met complexe getallen

Exact periode = 1. h = 0, Js. h= 6, Js 12 * 12 = 1,4.10 2

Breuken met letters WISNET-HBO. update juli 2013

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

RSA. F.A. Grootjen. 8 maart 2002

Speciale functies. 2.1 Exponentiële functie en natuurlijke logaritme

Bijzondere getallen. Oneindig (als getal) TomVerhoeff. Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Wiskunde en Informatica

Vector-en matrixvergelijkingen. Figuur: Vectoren, optellen

Gehelen van Gauss. Hector Mommaerts

Getallen, 2e druk, extra opgaven

Polynomen. + 5x + 5 \ 3 x 1 = S(x) 2x x. 3x x 3x 2 + 2

Transcriptie:

Numerieke aspecten van de vergelijking van Cantor Opgedragen aan Th. J. Dekker H. W. Lenstra, Jr. Uit de lineaire algebra is bekend dat het aantal oplossingen van een systeem lineaire vergelijkingen gelijk is aan nul, één, of oneindig, en het geval dat er precies één oplossing is merkt men algemeen als het plezierigste aan. Eenduidigheid en existentie van oplossingen spelen ook in andere gebieden van de wiskunde een belangrijke rol. Wanneer we de vergelijking 2 x = x vanuit dit oogpunt beschouwen dan lijkt het op het eerste gezicht slecht gesteld te zijn met de eenduidige oplosbaarheid. Cantor toonde aan dat de vergelijking geen oplossing heeft in het gebied der cardinaalgetallen, en het is niet lastig in te zien dat hetzelfde geldt voor de reële getallen. Stappen we daarentegen over op de ordinaalgetallen of de complexe getallen dan vinden we oneindig veel oplossingen. In dit artikel zullen we onze aandacht richten op de factoriële getallen, die de eenduidige oplosbaarheid herstellen. Factoriële getallen hebben nog geen algemene ingang en erkenning gevonden, en een beknopte inleiding is dan ook op zijn plaats. We roepen in herinnering dat ieder positief geheel getal n op eenduidige wijze geschreven kan worden als n = c k k! + c k 1 (k 1)! +... + c 2 2! + c 1 1!, waar ieder cijfer c i tot de verzameling {0, 1,..., i} behoort, en c k 0. In het factoriële talstelsel schrijft men dan n = (c k c k 1...c 2 c 1 )!. Het uitroepteken dient ter onderscheiding van het tientallig stelsel. Men heeft bijvoorbeeld 5 = (21)! en 25 = (1001)!. We zullen tevens schrijven 0 = (0)!. De lezer die enige rekenkundige ervaring met dit talstelsel wil opdoen wordt uitgenodigd na te gaan dat de rij getallen a 0 = 0, a 1 = 1, a 2 = 2, a 3 = 4, a 4 = 16, a 5 = 65536,... gedefinieerd door a 0 = 0, 1 a i+1 = 2 a i

er in het factoriële talstelsel aldus uitziet: a 0 = (0)!, a 1 = (1)!, a 2 = (10)!, a 3 = (20)!, a 4 = (220)!, a 5 = (15000220)!, a 6 = (...898 1 64 1 780 1 19562 1 07345000220)!, a 7 = (...2171 1 25099 1 121727345000220)!, a 8 = (...7197 1 1 4 1 28 1 55 1 21727345000220)!, a 9 = (... 1 89 2 2 18 1 284 1 55 1 21727345000220)!, a 10 = (... 1 6 1 3 1 2 1 6 1 0 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)!, a 11 = (...5 1 0 2 093 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)!, a i = (... 1 3 1 8 2 093 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)! (i 12). Om plaats te besparen geven we niet meer dan 24 cijfers per term. Het elfde cijfer van a 6, dat gelijk is aan 10, hebben we als 1 0 geschreven, om duidelijk te maken dat het om een enkel cijfer gaat. Merk op dat we met de aanduiding het elfde cijfer beginnen te tellen van rechts. Evenzo zullen we beneden met begincijfers steeds de eerste cijfers van rechts af bedoelen. Het is opmerkelijk dat de bovenstaande rij getallen, in een precisie van 24 cijfers opgeschreven, van de twaalfde term af constant is. In feite is de rij, in iedere eindige precisie opgeschreven, van een zekere term af constant. Men zou dus van een limiet kunnen spreken, die uit hoofde van de definitie van de rij een oplossing van de vergelijking 2 x = x moet zijn. Deze limiet zal dan oneindig veel cijfers hebben. Dit voert tot de invoering van factoriële getallen. Men verkrijgt een factorieel getal door een rij cijfers te nemen die oneindig ver naar links doorloopt: (...c 5 c 4 c 3 c 2 c 1 )!. Hier eisen we nog steeds dat c i {0, 1,..., i} voor elke i. Een voorbeeld is het getal log 2 = (... 1 76 2 272 1 99 1 1 2569711375220000)!, waarvan de definitie beneden gegeven zal worden. Elk positief geheel getal n = (c k c k 1...c 2 c 1 )! is een factorieel getal, met c i = 0 voor i > k. Ook 0 is een factorieel getal, met alle cijfers gelijk aan 0. Negatieve gehele getallen kan men eveneens als factoriële getallen opvatten, bijvoorbeeld 1 = (... 2 4 2 3 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 0987654321)!, 2

met c i = i voor alle i. Negatieve gehele getallen zijn erdoor gekenmerkt dat c i = i voor bijna alle i. Factoriële getallen kan men onderwerpen aan de gebruikelijke rekenkundige bewerkingen. Het optellen van twee factoriële getallen geschiedt cijfer voor cijfer, van rechts naar links; als de som van de ide cijfers groter dan i is, dan verlaagt men die som met i + 1 en telt 1 op bij de som van de i + 1ste cijfers ( 1 onthouden ). Op deze wijze vindt men bijvoorbeeld dat 1 + ( 1) = 0. Aftrekken gaat op een vergelijkbare manier. Voor vermenigvuldiging bestaat er een wat ingewikkelder Horner-achtig schema, maar het is vaak handiger om de volgende regel toe te passen: voor elke k hangen de k begincijfers van het product van twee factoriële getallen s en t alleen van de k begincijfers van s en t af. (Deze regel geldt ook voor sommen en verschillen.) Met behulp hiervan kan men het berekenen van een product herleiden tot het geval van positieve gehele getallen. De delingsoperatie numerici altijd een doorn in het oog is niet altijd mogelijk: niet voor alle paren factoriële getallen s, t heeft de vergelijking sx = t een oplossing, en een eventuele oplossing hoeft niet uniek te zijn; dit geldt zelfs als men zich beperkt tot het geval s 0. Als evenwel de vergelijking sx = t een unieke oplossing heeft, dan geven we deze aan met t s. Dit is onder andere het geval wanneer een inverse van s bestaat, d.w.z. een factorieel getal dat met s product 1 heeft. De machtsverheffing is als volgt gedefinieerd. Laten s en t factoriële getallen zijn, en kies een stijgende rij positieve gehele getallen n 1, n 2, n 3,... die steeds meer begincijfers met t gemeen hebben, zodat we kunnen zeggen dat n i als factorieel getal naar t convergeert en als reëel getal naar oneindig. Dan kan men bewijzen dat de gewone machten s n 1, s n 2, s n 3,..., die door herhaalde vermenigvuldiging gedefinieerd zijn, steeds meer begincijfers gemeen krijgen, zodat we s t als hun limiet kunnen definiëren. Enige zorgvuldigheid is bij de machtsverheffing wel geboden, want hoewel de gebruikelijke regels s tu = (s t ) u, s t+u = s t s u, (st) u = s u t u inderdaad gelden, is dit niet zo voor de regels s 0 = 1 en s 1 = s. Men heeft bijvoorbeeld 2 0 = (... 2 0 1 692 1 63 1 3186 1 19998370540220)!. Wel is s 0 gelijk aan zijn eigen kwadraat, en heeft men s 1 = s s 0 ; in het algemeen is voor een geheel getal n 0 het factoriële getal s n in zijn nieuwe definitie gelijk aan s 0 vermenigvuldigd met het product van n factoren s. Ofschoon voor eindige x de nieuwe waarde van 2 x niet met de oude samenvalt bestaat er een nauwe relatie. Dit blijkt als men de rij factoriële getallen b 0, b 1, b 2,... gedefinieerd door b 0 = 0, 3 b i+1 = 2 b i

(maar nu met de nieuwe machtsverheffing!) vergelijkt met de rij a 0, a 1, a 2,... die we boven zagen: b 0 = (...000000000000000000000000)!, b 1 = (... 2 0 1 692 1 63 1 3186 1 19998370540220)!, b 2 = (...4 1 7 1 399 1 203 1 3515058565000220)!, b 3 = (... 1 07 1 62 2 06 1 8 1 386 1 4 1 2593675000220)!, b 4 = (... 2 4 2 1 2 11 1 61187 1 2 1 3 1 0 1 167345000220)!, b 5 = (...5 1 0916 1 0 1 824071727345000220)!, b 6 = (...6 2 3 2 15 1 9 1 040 1 55 1 21727345000220)!, b 7 = (... 2 312 1 1 1 35 1 4 1 0 1 55 1 21727345000220)!, b 8 = (... 1 9851 1 7 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)!, b 9 = (... 2 22 2 093 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)!, b i = (... 1 3 1 8 2 093 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)! (i 10). Beide rijen hebben dezelfde limiet, en ook de convergentiesnelheid is in essentie dezelfde: het aantal correcte begincijfers van b i is voor 3 i < 10 gelijk is aan dat van a i+2, en waarschijnlijk ook voor grotere i. De limiet van de rij is een factoriële oplossing van de vergelijking 2 x = x van Cantor. Men kan aantonen dat deze oplossing uniek is. Hoe kan men een gegeven aantal begincijfers van de oplossing van de vergelijking van Cantor bepalen? De iteratie x 2 x leidt, onafhankelijk van de startwaarde, tot het doel, maar voor de meeste startwaarden niet bijster snel. Voor de startwaarde 0 vinden we de b i, en men kan bewijzen dat iedere iteratiestap in dat geval gemiddeld twee extra correcte cijfers geeft; preciezer: als m 9, dan is de eerste k waarvoor b k ten minste m 1 correcte begincijfers heeft gelijk aan (m s 3 (m))/2, waar s 3 (m) de som van de cijfers van m in het drietallig stelsel aangeeft (merk op dat s 3 (m) = O(log m)). Alleen voor heel speciale startwaarden, zoals de gezochte oplossing zelf, is de convergentie wezenlijk sneller. Men kan zich afvragen of een Newton-iteratie efficiënter is. Deze zou volgens de klassieke formule gegeven worden door x x 2 x x (log 2) 2 x 1. Is de deling hier mogelijk? En wat is log 2? Om met de laatste vraag te beginnen: uit de reële analyse is bekend dat log 2 de waarde van de afgeleide van 2 x in x = 0 is, zodat men 4

de reële logaritme van 2 kan vinden uit 2 ǫ 2 0 log 2 = lim. ǫ 0 ǫ Voor de factoriële logaritme vervangen we de naar 0 convergerende ǫ door de rij 1!, 2!, 3!,..., die in de factoriële getallen naar 0 convergeert en in de reële getallen naar oneindig. Dit leidt tot de definitie log 2 = lim n 2 n! 2 0. n! Men kan aantonen dat het quotiënt op eenduidige wijze gevormd kan worden, en dat de limiet als factorieel getal bestaat. De 24 begincijfers van log 2 hebben we boven gegeven. Het blijkt dat voor ieder factorieel getal x het getal (log 2)2 x 1 een inverse bezit, zodat de deling in de formule van Newton eenduidig mogelijk is. De Newton-iteratie met als startwaarde x 0 = 0 geeft x 0 = (...000000000000000000000000)!, x 1 = (...9 1 86 1 5 2 009 1 519474 1 04866100220)!, x 2 = (... 1 3 2 3 1 03 1 9 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)!, x i = (... 1 3 1 8 2 093 1 91 1 6 1 55 1 21727345000220)! (i 3). De limiet ziet er correct uit, en het heeft er alle schijn van dat de convergentie veel sneller is dan tevoren! Het is een interessante vraag de precieze convergentiesnelheid van de Newton-iteratie te bepalen. Wellicht vereist een oplossing van dit probleem een inzicht in de zin van het menselijk streven dat een geëmeriteerd numeriek wiskundige ongetwijfeld verworven heeft. Augustus 1992 Department of Mathematics, University of California, Berkeley, CA 94720, U. S. A. This paper has appeared in: P. van Emde Boas et al. (eds), Is er nog nieuws? aangeboden aan Prof. Dr Th. J. Dekker, Amsterdam, 1992. 5