Hans Walser, [20240505]
Pythagoreische Approximation
Ein beliebiges rechtwinkliges Dreieck mit rationalem Kathetenverhältnis soll durch pythagoreische Dreiecke approximiert werden.
Es wird ein Algorithmus angegeben. Beweis fehlt, aber der Algorithmus funktioniert.
Die Abbildung 1 zeigt eine (abbrechende) Folge von pythagoreischen Dreiecken, deren Hypotenuse auf die Länge 1 normiert wurde.
Abb. 1: Pythagoreische Dreiecke
Die Abbildung 2 zeigt dasselbe kumuliert.
Abb. 2: Kumuliert
Die Frage ist, ob die roten Punkte auf dem Viertelkreis schließlich überall dicht liegen.
Das rechtwinklig gleichschenklige Dreieck ist kein pythagoreisches Dreieck, da die Hypotenusenlänge √2 irrational zu den Kathetenlängen 1 ist. Die Tabelle 1 zeigt eine Approximation.
n |
u[n] |
v[n] |
a[n] |
b[n] |
c[n] |
α[n] [°] |
2 |
2 |
1 |
3 |
4 |
5 |
36.86989765 |
3 |
5 |
2 |
21 |
20 |
29 |
46.39718102 |
4 |
12 |
5 |
119 |
120 |
169 |
44.76027010 |
5 |
29 |
12 |
697 |
696 |
985 |
45.04113121 |
6 |
70 |
29 |
4059 |
4060 |
5741 |
44.99294299 |
7 |
169 |
70 |
23661 |
23660 |
33461 |
45.00121077 |
8 |
408 |
169 |
137903 |
137904 |
195025 |
44.99979226 |
9 |
985 |
408 |
803761 |
803760 |
1136689 |
45.00003564 |
10 |
2378 |
985 |
4684659 |
4684660 |
6625109 |
44.99999388 |
Tab. 1: Approximation des rechtwinklig gleichschenkligen Dreiecks
Bei den approximierenden pythagoreischen Dreiecken unterscheiden sich die Kathetenlänge jeweils um 1. Sie sind also fast gleichschenklig. Der Winkel α strebt gegen 45°.
Die Parameterfolge u[n] hat die Rekursion:
u[n + 1] := 2* u[n] + u[n - 1]
Die Folge ist eine verallgemeinerte Fibonacci-Folge. Die Parameterfolge v[n] ist die um 1 versetzte Folge u[n].
Wir können ein beliebiges rechtwinkliges Dreieck mit rationalen Kathetenlängen arational und brational durch pythagoreische Dreiecke approximieren. Damit liegen die roten Punkte dicht auf dem Viertelkreis.
Wir zeigen das Vorgehen exemplarisch am Beispiel:
arational := 3/7; brational := 5/11;
Wir benötigen den Quotienten q := arational/brational der beiden Kathetenlängen als gekürzten Bruch:
q := 33/35;
Damit können wir den Winkel α des gegebenen Dreiecks bestimmen:
α := arctan(q) ≈ 43.31531567 °
Wir definieren eine verallgemeinerte Fibonacci-Folge mit den Startwerten
u[0] := 0:
u[1] := 1:
und der Rekursion:
u[n + 1] := 2*q*u[n] + u[n - 1] :
Weiter sei:
v[n] := u[n - 1]:
Die Tabelle 2 gibt die ersten Werte:
n |
u[n] |
v[n] |
1 |
1 |
0 |
2 |
66/35 |
1 |
3 |
5581/1225 |
66/35 |
4 |
449196/42875 |
5581/1225 |
5 |
36483661/1500625 |
449196/42875 |
6 |
2958186726/52521875 |
36483661/1500625 |
Tab. 2: Erste Werte
Die Nenner in der Tabelle 2 sind Potenzen des Nenners von q. Wir bringen diese wegmultiplizieren. Allenfalls dividieren wir noch durch den größten gemeinsamen Teiler von u[n] und v[n]. So erhalten wir die ganzzahligen Werte der Tabelle 3.
n |
u[n] |
v[n] |
1 |
1 |
0 |
2 |
66 |
35 |
3 |
5581 |
2310 |
4 |
449196 |
195335 |
5 |
36483661 |
15721860 |
6 |
2958186726 |
1276928135 |
Tab. 3: Ganzzahlig
Nun verwenden wir u[n] und v[n] als Parameter zur Konstruktion von pythagoreischen Dreiecken. Die einschlägigen Formeln sind:
a[n]
:= u[n]^2 - v[n]^2:
b[n] := 2* u[n]* v[n]:
c[n] := u[n]^2 + v[n]^2:
Damit ergeben sich die pythagoreischen Dreiecke der Tabelle 4.
n |
u[n] |
v[n] |
a[n] |
b[n] |
c[n] |
α [n] [°] |
2 |
66 |
35 |
3131 |
4620 |
5581 |
34.12571434 |
3 |
5581 |
2310 |
25811461 |
25784220 |
36483661 |
45.03025048 |
4 |
449196 |
195335 |
163621284191 |
175487401320 |
239932808641 |
42.99591938 |
5 |
36483661 |
15721860 |
1083880638103321 |
1147182021058920 |
1578234401822521 |
43.37479717 |
6 |
2958186726 |
1276928135 |
7120323243928020851 |
7554783718025872020 |
10381414167837177301 |
43.30423840 |
Tab. 4: Folge von pythagoreischen Dreiecken
Die Konvergenz ersehen wir am Verhalten des Winkels α.
arational := 1
brational := 4
q := 1/4
α := 14.03624346°
Die Tabelle 5 gibt die ersten Werte:
n |
u[n] |
v[n] |
1 |
1 |
0 |
2 |
1/2 |
1 |
3 |
5/4 |
1/2 |
4 |
9/8 |
5/4 |
5 |
29/16 |
9/8 |
6 |
65/32 |
29/16 |
7 |
181/64 |
65/32 |
8 |
441/128 |
181/64 |
9 |
1165/256 |
441/128 |
10 |
2929/512 |
1165/256 |
11 |
7589/1024 |
2929/512 |
12 |
19305/2048 |
7589/1024 |
13 |
49661/4096 |
19305/2048 |
14 |
126881/8192 |
49661/4096 |
15 |
325525/16384 |
126881/8192 |
Tab. 5: Erste Werte
n |
u[n] |
v[n] |
1 |
1 |
0 |
2 |
1 |
2 |
3 |
5 |
2 |
4 |
9 |
10 |
5 |
29 |
18 |
6 |
65 |
58 |
7 |
181 |
130 |
8 |
441 |
362 |
9 |
1165 |
882 |
10 |
2929 |
2330 |
11 |
7589 |
5858 |
12 |
19305 |
15178 |
13 |
49661 |
38610 |
14 |
126881 |
99322 |
15 |
325525 |
253762 |
Tab. 6: Ganzzahlig
n |
u[n] |
v[n] |
a[n] |
b[n] |
c[n] |
α [n] [°] |
2 |
1 |
2 |
-3 |
4 |
5 |
-36.86989765 |
3 |
5 |
2 |
21 |
20 |
29 |
46.39718102 |
4 |
9 |
10 |
-19 |
180 |
181 |
-6.025575011 |
5 |
29 |
18 |
517 |
1044 |
1165 |
26.34510685 |
6 |
65 |
58 |
861 |
7540 |
7589 |
6.514443877 |
7 |
181 |
130 |
15861 |
47060 |
49661 |
18.62576257 |
8 |
441 |
362 |
63437 |
319284 |
325525 |
11.23747818 |
9 |
1165 |
882 |
579301 |
2055060 |
2135149 |
15.74261701 |
10 |
2929 |
2330 |
3150141 |
13649140 |
14007941 |
12.99596971 |
11 |
7589 |
5858 |
23276757 |
88912724 |
91909085 |
14.67041757 |
12 |
19305 |
15178 |
142311341 |
586022580 |
603054709 |
13.64964097 |
13 |
49661 |
38610 |
975482821 |
3834822420 |
3956947021 |
14.27192147 |
14 |
126881 |
99322 |
6233928477 |
25204149364 |
25963647845 |
13.89257125 |
15 |
325525 |
253762 |
41571372981 |
165211750100 |
170361678269 |
14.12382777 |
Tab. 7: Folge von pythagoreischen Dreiecken
Am Anfang ergeben sich teilweise negative
Werte.