Lucas-Folge

Aus AnthroWiki

Unter der Lucas-Folge versteht man zwei unterschiedliche Dinge:

  • Einerseits die Folge der Lucas-Zahlen
2, 1, 3, 4, 7, 11, 18, 29, 47, 76, 123, 199, 322, 521, 843, 1364, 2207, 3571, 5778, 9349, 15127, … (Folge A000032 in OEIS)
bei der jedes Folgenglied (ab dem dritten) die Summe der beiden vorhergehenden ist.
  • Andererseits die beiden allgemeinen Lucas-Folgen Un(P,Q) und Vn(P,Q), die abhängig von den Parametern P und Q als diejenigen Folgen definiert sind, die
U0=0,U1=1 bzw. V0=2,V1=P
erfüllen und den Rekursionsformeln
Un=PUn−1−QUn−2 bzw. Vn=PVn−1−QVn−2
für n>1 genügen.

Die Lucas-Folgen sind nach dem französischen Mathematiker Édouard Lucas benannt, der sich als erster mit ihnen beschäftigt hat.

Beispiele

  • Sei P=1 und Q=−1. Dann ist Un(P,Q)=Un(1,−1) die folgende Folge:
U0=0,U1=1,
U2=PU1−QU0=1⋅1−(−1)⋅0=1,
U3=PU2−QU1=1⋅1−(−1)⋅1=2,
U4=PU3−QU2=1⋅2−(−1)⋅1=3,
U5=PU4−QU3=1⋅3−(−1)⋅2=5,…
Kurz geschrieben erhält man die Fibonacci-Folge:
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, … (Folge A000045 in OEIS)
  • Sei P=1 und Q=−1. Dann ist Vn(P,Q)=Vn(1,−1) die folgende Folge:
V0=2,V1=P=1,
V2=PV1−QV0=1⋅1−(−1)⋅2=3,
V3=PV2−QV1=1⋅3−(−1)⋅1=4,
V4=PV3−QV2=1⋅4−(−1)⋅3=7,
V5=PV4−QV3=1⋅7−(−1)⋅4=11,…
Kurz geschrieben erhält man eine Folge, die man ebenfalls kurz spezielle Lucas-Folge (oder noch einfacher nur Lucas-Folge) nennt, nämlich:
2, 1, 3, 4, 7, 11, 18, 29, 47, 76, 123, 199, 322, 521, 843, 1364, 2207, 3571, 5778, 9349, 15127, 24476, 39603, 64079, 103682, … (Folge A000032 in OEIS)
Die einzelnen Zahlen dieser Folge nennt man Lucas-Zahlen, auf die weiter unten näher eingegangen wird.
  • In einer Tabelle zusammengefasst erhält man für gewisse Startwerte für P und Q die Tabelle im Abschnitt Spezialfälle.

Explizite Formeln

Vorbereitung

Zur Bestimmung der Folgenglieder der allgemeinen Lucas-Folge muss vorbereitend die zugeordnete quadratische Gleichung gelöst werden.

Für die expliziten Formeln werden die beiden Lösungen a und b der quadratischen Gleichung x2−Px+Q=0  benötigt. Es sind dies

a=P2+P24−Q=P+P2−4Q2

und

b=P2−P24−Q=P−P2−4Q2

Ist P2−4Q<0, so ist eine der beiden komplexen Wurzeln zu wählen. Welche der beiden Zahlen a und welche b genannt wird, ist hierbei nicht von Belang.

Die Parameter P und Q und die Werte a und b sind voneinander abhängig, es gilt umgekehrt

P=a+b,Q=a⋅b. (Satz von Vieta)

Die Formeln für a und b lassen sich in Bezug auf die Potenzen verallgemeinern. Und zwar gilt:

an=Vn+UnP2−4Q2
bn=Vn−UnP2−4Q2

Die allgemeinen Lucas-Folgen

Falls P2−4Q≠0 gilt, oder äquivalent dazu: falls die Zahlen a und b verschieden sind, so berechnet sich das Glied der allgemeinen Lucas-Folge Un(P,Q)  nach folgender Formel:

Un(P,Q)=an−bna−b

für alle n≥0. Im Spezialfall P2−4Q=0 gilt stattdessen

Un(P,Q)=nan−1=n(P2)n−1.

Das Glied der allgemeinen Lucas-Folge Vn(P,Q)  berechnet sich nach folgender Formel:

Vn(P,Q)=an+bn 

für alle n≥0

Beziehungen zwischen den Folgegliedern

Eine Auswahl der Beziehungen zwischen den Folgengliedern ist:[1]

  • U2n=Un⋅Vn 
  • Vn=Un+1−QUn−1 
  • V2n=Vn2−2Qn 
  • ggT⁡(Um,Un)=UggT⁡(m,n), falls ggT⁡(P,Q)=1
  • m∣n⟹Um∣Un; für alle Um≠1

Spezialfälle

Es folgen ein paar Spezialfälle, die zu Folgen führen, die in der Mathematik eine wichtige Rolle spielen und deswegen sogar eigene Namen haben:

P Q a b U(P,Q) V(P,Q)
1 −1 1+52 1−52 0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,…
(Folge A000045 in OEIS)
(Fibonacci-Folge)
2,1,3,4,7,11,18,29,47,76,…
(Folge A000032 in OEIS)
((spezielle) Lucas-Folge)
1 −2 2 −1 0,1,1,3,5,11,21,43,85,171,…
(Folge A001045 in OEIS)
(Jacobsthal-Folge)
2,1,5,7,17,31,65,127,257,511,…
(Folge A014551 in OEIS)
(Jacobsthal-Lucas-Folge)
2 −1 1+2 1−2 0,1,2,5,12,29,70,169,408,985,…
(Folge A000129 in OEIS)
(Pell-Folge)
2,2,6,14,34,82,198,478,1154,2786,…
(Folge A002203 in OEIS)
(Companion Pell-Folge, Pell-Lucas-Folge)
3 2 2 1 0,1,3,7,15,31,63,127,255,511,…
(Folge A000225 in OEIS)
(Mersenne-Zahl-Folge)
2,3,5,9,17,33,65,129,257,513,…
(Folge A000051 in OEIS)
(Zahlen der Form 2n+1 (enthalten die Fermat-Zahlen))
A −1 A+A2+42 A−A2+42 Fibonacci-Polynome Lucas-Polynome
2A 1 A+A2−1 A−A2−1 Tschebyschow-Polynome zweiter Art Tschebyschow-Polynome erster Art, mit 2 multipliziert
A+1 A A 1 ai=1+ai−1⋅A mit a0=0
Repunits zur Basis A
(An+1) -Folge

Es gibt aber auch viele weitere Spezialfälle, die zu Folgen führen, die einen OEIS-Eintrag haben und somit in der Mathematik ebenfalls eine gewisse Rolle spielen. Es folgen ein paar Beispiele:

P Q a b U(P,Q) V(P,Q)
1 1 0,1,1,0,−1,−1,0,1,1,0,…
(Folge A128834 in OEIS)
2,1,−1,−2,−1,1,2,1,−1,−2,…
(Folge A087204 in OEIS)
1 2 0,1,1,−1,−3,−1,5,7,−3,−17,…
(Folge A107920 in OEIS)
2,1,−3,−5,1,11,9,−13,−31,−5,…
(Folge A002249 in OEIS)
2 1 1 1 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,…
(Folge A001477 in OEIS)
2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,…
(Folge A007395 in OEIS)
2 2 0,1,2,2,0,−4,−8,−8,0,16,…
(Folge A009545 in OEIS)
2,2,0,−4,−8,−8,0,16,32,32,…
(Folge A009545 in OEIS)
2 3 0,1,2,1,−4,−11,−10,13,56,73,…
(Folge A088137 in OEIS)
2,2,−2,−10,−14,2,46,86,34,−190,…
2 4 0,1,2,0,−8,−16,0,64,128,0,…
(Folge A088138 in OEIS)
2,2,−4,−16,−16,32,128,128,−256,−1024,…
2 5 0,1,2,−1,−12,−19,22,139,168,−359,…
(Folge A045873 in OEIS)
2,2,−6,−22,−14,82,234,58,−1054,−2398,…
3 −10 5 −2 0,1,3,19,87,451,2223,11179,55767,279091,…
(Folge A015528 in OEIS)
2,3,29,117,641,3093,15689,77997,390881,1952613,…
3 −5 0,1,3,14,57,241,1008,4229,17727,74326,…
(Folge A015523 in OEIS)
2,3,19,72,311,1293,5434,22767,95471,400248,…
(Folge A072263 in OEIS)
3 −4 4 −1 0,1,3,13,51,205,819,3277,13107,52429,…
(Folge A015521 in OEIS)
2,3,17,63,257,1023,4097,16383,65537,262143,…
(Folge A201455 in OEIS)
3 −3 0,1,3,12,45,171,648,2457,9315,35316,…
(Folge A030195 in OEIS)
2,3,15,54,207,783,2970,11259,42687,161838,…
(Folge A172012 in OEIS)
3 −2 0,1,3,11,39,139,495,1763,6279,22363,…
(Folge A007482 in OEIS)
2,3,13,45,161,573,2041,7269,25889,92205,…
(Folge A206776 in OEIS)
3 −1 0,1,3,10,33,109,360,1189,3927,12970,…
(Folge A006190 in OEIS)
2,3,11,36,119,393,1298,4287,14159,46764,…
(Folge A006497 in OEIS)
3 1 0,1,3,8,21,55,144,377,987,2584,…
(Folge A001906 in OEIS)
2,3,7,18,47,123,322,843,2207,5778,…
(Folge A005248 in OEIS)
3 5 0,1,3,4,−3,−29,−72,−71,147,796,…
(Folge A0190959 in OEIS)
2,3,−1,−18,−49,−57,74,507,1151,918,…
4 −5 5 −1 0,1,4,21,104,521,2604,13021,65104,325521,…
(Folge A015531 in OEIS)
2,4,26,124,626,3124,15626,78124,390626,1953124,…
(Folge A087404 in OEIS)
4 −3 0,1,4,19,88,409,1900,8827,41008,190513,…
(Folge A015530 in OEIS)
2,4,22,100,466,2164,10054,46708,216994,1008100,…
(Folge A080042 in OEIS)
4 −2 0,1,4,18,80,356,1584,7048,31360,139536,…
(Folge A090017 in OEIS)
2,4,20,88,392,1744,7760,34528,153632,683584,…
4 −1 0,1,4,17,72,305,1292,5473,23184,98209,…
(Folge A001076 in OEIS)
2,4,18,76,322,1364,5778,24476,103682,439204,…
(Folge A014448 in OEIS)
4 1 0,1,4,15,56,209,780,2911,10864,40545,…
(Folge A001353 in OEIS)
2,4,14,52,194,724,2702,10084,37634,140452,…
(Folge A003500 in OEIS)
4 2 0,1,4,14,48,164,560,1912,6528,22288,…
(Folge A007070 in OEIS)
2,4,12,40,136,464,1584,5408,18464,63040,…
(Folge A056236 in OEIS)
4 3 3 1 0,1,4,13,40,121,364,1093,3280,9841,…
(Folge A003462 in OEIS)
2,4,10,28,82,244,730,2188,6562,19684,…
(Folge A034472 in OEIS)
4 4 2 2 0,1,4,12,32,80,192,448,1024,2304,…
(Folge A001787 in OEIS)
2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,…
(Folge A000079 in OEIS)
5 −6 6 −1 0,1,5,31,185,1111,6665,39991,239945,1439671,…
(Folge A015540 in OEIS)
2,5,37,215,1297,7775,46657,279935,1679617,10077695,…
(Folge A0274074 in OEIS)
5 −3 0,1,5,28,155,859,4760,26377,146165,809956,…
(Folge A015536 in OEIS)
2,5,31,170,943,5225,28954,160445,889087,4926770,…
5 −2 0,1,5,27,145,779,4185,22483,120785,648891,…
(Folge A015535 in OEIS)
2,5,29,155,833,4475,24041,129155,693857,3727595,…
5 −1 0,1,5,26,135,701,3640,18901,98145,509626,…
(Folge A052918 in OEIS)
2,5,27,140,727,3775,19602,101785,528527,2744420,…
(Folge A087130 in OEIS)
5 1 0,1,5,24,115,551,2640,12649,60605,290376,…
(Folge A004254 in OEIS)
2,5,23,110,527,2525,12098,57965,277727,1330670,…
(Folge A003501 in OEIS)
5 4 4 1 0,1,5,21,85,341,1365,5461,21845,87381,…
(Folge A002450 in OEIS)
2,5,17,65,257,1025,4097,16385,65537,262145,…
(Folge A052539 in OEIS)
8 −9 9 −1 0,1,8,73,656,5905,53144,478297,4304672,38742049,…
(Folge A015577 in OEIS)
2,8,82,728,6562,59048,531442,4782968,43046722,387420488,…

Die allgemeinen Lucas-Folgen U(P,Q), V(P,Q) und die Primzahlen

Die allgemeinen Lucas-Folgen U(P,Q) und V(P,Q) haben für ganzzahlige Parameter P und Q eine spezielle Eigenschaft hinsichtlich der Teilbarkeit durch Primzahlen. Diese Eigenschaft wurde für Verfahren zur Bestimmung der Primalität einer Zahl angewandt (siehe auch Lucas-Lehmer-Test).[2]

Die Folgen U(P,Q)

Für alle Lucas-Folgen Un(P,Q)=an−bna−b gilt:

Ist p eine Primzahl, so ist Up(P,Q)−(Dp) durch p teilbar.

Dabei ist (Dp) das Legendre-Symbol.

Es existieren auch zusammengesetzte Zahlen, die diese Bedingung erfüllen. Diese Zahlen nennt man Lucas-Pseudoprimzahlen.

Die Folgen V(P,Q)

Für alle Lucas-Folgen Vn(P,Q)=an+bn  gilt:

Ist p eine Primzahl, so ist Vp(P,Q)−P  durch p teilbar.

Eine zusammengesetzte Zahl, die diese Bedingung (im Fall von P>0 und Q=±1) erfüllt, heißt Fibonacci-Pseudoprimzahl.

Besonders interessant ist die Teilbarkeitsbedingung für die Folge Vn(3,2)=an+bn=2n+1 . Für diese Folge gilt nämlich:

Wenn n eine Primzahl ist, dann gilt: n teilt 2n+1−3=2n−2 .

Dies ist eine spezielle Form des kleinen Fermatschen Satz.

Analog zu ap≡amodp gilt hier Vp(a+1,a)≡V1(a+1,a)modp.

Die spezielle Lucas-Folge

Die allgemein als Lucas-Folge bekannte Folge Ln der Lucas-Zahlen 2, 1, 3, 4, 7, 11, 18, 29, … lässt sich außer durch die Rekursion Ln=Ln−1+Ln−2 mit den Anfangswerten L0=2 und L1=1 auch wie folgt erzeugen:

  1. Wie im allgemeinen Fall für die Folgen Vn erwähnt, über die Formel von Binet (nach Jacques Philippe Marie Binet):
    Ln=(1+52)n+(1−52)n, da a=1+52 und b=1−52 gilt. a ist übrigens die goldene Zahl Φ.
  2. Eine andere rekursive Formel (mit Gaußklammer):
    Ln+1=⌊Ln(1+5)+12⌋
  3. Als Summe zweier Glieder der Fibonacci-Folge:
    Ln=fn−1+fn+1  .

Nach 1) lässt sich alternativ auch Ln=Φn+(1−Φ)n schreiben. Da für n>1 der Betrag von (1−Φ)n stets kleiner 0,5 ist, ergibt sich die Eigenschaft, dass die n-te (n>1) Lucaszahl dem gerundeten Wert der Golden Zahl zur Potenz n entspricht: Ln=⌊Φn+12⌋.

Reziproke Reihe

Der Grenzwert der absolut konvergierenden reziproken Reihe spezieller Lucas-Zahlen

  • ∑n=0∞1L2n

ist irrational.[3]

Lucas-Primzahlen

Eine Lucas-Primzahl ist eine Lucas-Zahl, die prim ist. Die kleinsten Lucas-Primzahlen lauten:

2, 3, 7, 11, 29, 47, 199, 521, 2207, 3571, 9349, 3010349, 54018521, 370248451, 6643838879, 119218851371, 5600748293801, 688846502588399, 32361122672259149, 412670427844921037470771, … (Folge A005479 in OEIS)

Für diese Lucas-Primzahlen ist der Index n von Ln der folgende:

0, 2, 4, 5, 7, 8, 11, 13, 16, 17, 19, 31, 37, 41, 47, 53, 61, 71, 79, 113, 313, 353, 503, 613, 617, 863, 1097, 1361, 4787, 4793, 5851, 7741, 8467, 10691, 12251, 13963, 14449, 19469, 35449, 36779, 44507, 51169, 56003, 81671, 89849, 94823, 140057, 148091, 159521, 183089, 193201, 202667, 344293, 387433, 443609, 532277, 574219, 616787, 631181, 637751, 651821, 692147, 901657, 1051849, … (Folge A001606 in OEIS)
Beispiel:
Es ist L6=18 und L5=11. Somit ist L7=L6+L5=18+11=29∈ℙ eine Primzahl. Tatsächlich taucht der Index n=7 in obiger Liste an der 5. Stelle auf, weil er zur fünftkleinsten Lucas-Primzahl L7=29 führt.

Es gelten folgende zwei Eigenschaften für Lucas-Primzahlen:

  • Wenn Ln eine Primzahl ist, dann ist der Index n entweder gleich 0 oder eine selbst Primzahl oder eine Zweierpotenz.[4]
  • L2m ist eine Primzahl für m∈{1,2,3,4}. Für keine anderen bekannten Werte von m erhält man weitere Primzahlen.

Es wird vermutet, dass es unendlich viele Lucas-Primzahlen gibt.[4]

Siehe auch

Literatur

  • Paulo Ribenboim: Die Welt der Primzahlen. Springer Verlag, 1996

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Siehe Ribenboim: Die Welt der Primzahlen, S. 44–70.
  2. ↑ Siehe das schon angegebene Kapitel im Buch von Ribenboim.
  3. ↑ Paulo Ribenboim: Meine Zahlen, meine Freunde: Glanzlichter der Zahlentheorie. Springer-Lehrbuch, 2009, ISBN 978-3-540-87955-8, S. 323.
  4. ↑ 4,0 4,1 Chris K. Caldwell: Lucas prime. Prime Pages, abgerufen am 1. März 2020 (englisch).