Дерево Ка́лкина — Уи́лфа ( англ. Calkin—Wilf tree ) — ориентированное двоичное дерево , в вершинах которого расположены положительные рациональные дроби согласно следующему правилу:

• корень дерева — дробь ${\displaystyle {\frac {1}{1}}}$ ;
• вершина с дробью ${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ имеет двух потомков: ${\displaystyle {\frac {m}{m+n}}}$ (левый) и ${\displaystyle {\frac {m+n}{n}}}$ (правый).

Дерево описано и (2000 ) в связи с задачей явного пересчёта множества рациональных чисел.

Свойства дерева Калкина — Уилфа

Основные свойства

• Все дроби, расположенные в вершинах дерева, несократимы;
• Любая несократимая рациональная дробь встречается в дереве в точности один раз.

Последовательность Калкина — Уилфа

Из приведенных выше свойств следует, что последовательность положительных рациональных чисел, получаемая в результате обхода «в ширину» ( англ. breadth-first traversal ) дерева Калкина — Уилфа (называемая также последовательностью Калкина — Уилфа ; см. иллюстрацию),

${\displaystyle {\frac {1}{1}},{\frac {1}{2}},{\frac {2}{1}},{\frac {1}{3}},{\frac {3}{2}},{\frac {2}{3}},{\frac {3}{1}},{\frac {1}{4}},{\frac {4}{3}},{\frac {3}{5}},{\frac {5}{2}},{\frac {2}{5}},{\frac {5}{3}},{\frac {3}{4}},\dots }$

определяет взаимно однозначное соответствие между множеством натуральных чисел и множеством положительных рациональных чисел.

Данная последовательность может быть задана рекуррентным соотношением

${\displaystyle q_{1}=1;}$

${\displaystyle q_{i+1}={\frac {1}{\lfloor q_{i}\rfloor +1-\{q_{i}\}}}={\frac {1}{2\lfloor q_{i}\rfloor -q_{i}+1}},\quad i=1,2,\dots ,}$

где ${\displaystyle \lfloor x\rfloor }$ и ${\displaystyle \{x\}}$ обозначают соответственно целую и дробную части числа ${\displaystyle x}$ .

В последовательности Калкина — Уилфа знаменатель каждой дроби равен числителю следующей.

Функция fusc

В 1976 году Э. Дейкстра определил на множестве натуральных чисел целочисленную функцию fusc( n ) следующими рекуррентными соотношениями :

${\displaystyle \operatorname {fusc} (1)=1}$ ;

${\displaystyle \operatorname {fusc} (2n)=\operatorname {fusc} (n)}$ ;

${\displaystyle \operatorname {fusc} (2n+1)=\operatorname {fusc} (n)+\operatorname {fusc} (n+1)}$ .

Последовательность значений ${\displaystyle \operatorname {fusc} (n),n=1,2,3,\dots }$ совпадает с последовательностью числителей дробей в последовательности Калкина — Уилфа, то есть последовательностью

1, 1, 2, 1, 3, 2, 3, 1, 4, 3, 5, 2, 5, 3, 4, …

Таким образом (поскольку знаменатель каждой дроби в последовательности Калкина — Уилфа равен числителю следующей), ${\displaystyle n}$ -й член последовательности Калкина — Уилфа равен ${\displaystyle \operatorname {fusc} (n)/\operatorname {fusc} (n+1)}$ , а соответствие

${\displaystyle n\mapsto {\frac {\operatorname {fusc} (n)}{\operatorname {fusc} (n+1)}},\quad n=1,2,3,\dots }$

является взаимно однозначным соответствием между множеством натуральных чисел и множеством положительных рациональных чисел.

Функция ${\displaystyle \operatorname {fusc} }$ может быть, помимо указанных выше рекуррентных соотношений, определена следующим образом.

• Значение ${\displaystyle \operatorname {fusc} (n+1),n\geqslant 0}$ равно количеству гипердвоичных ( англ. hyperbinary ) представлений числа ${\displaystyle n}$ , то есть представлений в виде суммы неотрицательных степеней двойки, где каждая степень ${\displaystyle 2^{k}}$ встречается не более двух раз . Например, число 6 представляется тремя такими способами:

6 = 4 + 2 = 4 + 1 + 1 = 2 + 2 + 1 + 1, поэтому ${\displaystyle \operatorname {fusc} (6+1)=3}$ .

• Значение ${\displaystyle \operatorname {fusc} (n+1),n\geqslant 0}$ равно числу всех нечётных биномиальных коэффициентов вида ${\displaystyle {\binom {n-r}{r}}}$ , где ${\displaystyle 0\leqslant 2r<n}$ .

В оригинальной статье Калкина и Уилфа функция ${\displaystyle \operatorname {fusc} }$ не упоминается, но рассматривается целочисленная функция ${\displaystyle b(n)}$ , определённая для ${\displaystyle n=0,1,2,\dots }$ , равная количеству гипердвоичных представлений числа ${\displaystyle n}$ , и доказывается, что соответствие

${\displaystyle n\mapsto {\frac {b(n)}{b(n+1)}},\quad n=0,1,2,\dots }$

является взаимно однозначным соответствием между множеством неотрицательных целых чисел и множеством рациональных чисел. Таким образом, для ${\displaystyle n=0,1,2,\dots }$ имеют место соотношения

${\displaystyle b(n)=\operatorname {fusc} (n+1),}$

${\displaystyle b(2n+1)=b(n),}$

${\displaystyle b(2n+2)=b(n)+b(n+1).}$

Дерево Кеплера и Saltus Gerberti

См. также

• Дерево Штерна — Броко

Примечания

Литература

• Calkin, N., Wilf H. S. // The American Mathematical Monthly. — 2000. — Vol. 107, № 4 . — P. 360—363. ( )
• Айгнер М., Циглер Г. . — М. : Мир, 2006. — С. —109. — 256 с. — ISBN 5-03-003690-3 . ( NB : в данном переводе фамилия Wilf транскрибируется как «Вилф».)
• Dijkstra, E. W. . — Springer-Verlag, 1982. — ISBN 0-387-90652-5 . (См. документы и , воспроизведенные в этой книге.)
• Stern M. // Journal für die reine und angewandte Mathematik. — 1858. — Т. 55 . — С. 193—220 .
• Щетников А. И. // ΣΧΟΛΗ . — 2008. — Т. 2 . — С. 55—74 . — ISSN .