
多图,手机党慎入。
这个问题,与圆周率的分数近似有关。
------------------------------------------------我是分割线6.25凌晨更新-------------------------------------------------
引自百度百科
这个问题中的螺旋线,由于旋转角度均匀,斐波那契螺旋是不均匀的,很明显不是斐波那契螺旋。
感谢技术宅,若是素数,则
由于
这样
不好解,为了方便起见,我们把坐标对调
即:
画出图的效果如下
只是将左旋变为右旋。
每个点新的极坐标方程为
约率决定的线——
把所有的自然数按照
用点线画出来
局部放大效果
我们可以发现,相邻两个自然数的极坐标,半径增加了,角度逆时针旋转了弧度(rad),而
按照约率,,也就是说,如果是悬臂上的一个点,那么它之后的一个点就是(这里的单位是弧度,化到区间还需要除以取余数)。
由于上面的结论,单条悬臂上的点组成的集合为
----[注意,由于本题的特殊性,,点集的极坐标方程就是,下同]
我们取,画出两条中心对称的螺旋线,如下图
来一张没标记颜色的(蚊香有木有!!!)
我们现在来探讨单根螺旋线的极坐标方程
上面的图是用划出来的,如果讲点列连续化的话,我们只需要将连续化,即让,变为。
比如将代入连续化的方程,我们有
令
就变成
,
这个与连续化方程形式一样,说明
时,点还在原方程上。
这样我们就得到了,单根螺旋线的极坐标参数方程——
密率决定的线
首先我们将约率和密率比较下精度
约率需要两个数相差多少,一条螺旋线才能旋转一周呢?
答案是跨度需要,才能看到螺旋线旋转了一个圆周
同样的
由于密率的精度比约率高出许多,需要两数相差7400万,才能旋转一周
下面用500万以内的质数画图,几千万级别的,点太多反而不清楚。
密率螺旋线的极坐标参数方程
方法和约率时讨论的一样,只要把44换成710,就ok了
,数值上
那到底这个螺旋线是什么螺旋线呢?
答案就是阿基米德螺旋线
不过由于我们将x,y调换了位置后才得到的方程,而如果不将x.y对调的话,就需要将变为,不变。
下面我们探讨白色缝隙的条数,宽度,以及宽缝的不均匀性。
现在要讨论螺旋中空白的部分,我们不妨换个思维,质数画出的螺旋图像中空白的部分都是合数的部分(因为产生质数向量的时候,直接把合数踢掉了)。所以我们只要画出合数的螺旋图,将颜色反转,就得到了质数螺旋的图像。根据这个思路我们做如下分析。
合数中,数量最多的自然是被最小质数2整除的合数
设数量上限为10000,那么10000以内被2整除的数的个数为
,其中表示的整数部分。
同样被质数3,5,7整除的数的个数为
可以看到,自然数之内被任意质数整除的数的个数为
而如果要把之内,所有的合数踢掉,只要把内的所有素数都找出来,然后对每个质数,2,5,7...,其中表示小于中,最大的质数。
至于为什么是,而不是其它的数,我们可以这么想:如果一个数能分解成两个数和的乘积,即
又
所以与中较小的那个必然比要小,只要是合数,必然会被之前的质数踢掉。
不过这种按照质数的顺序先后,踢掉质数后面的合数的方法,对于有些数来说踢掉了不止一次。比如,被2踢掉一次,又被3踢掉一次。
以上的这种质数踢掉合数的算法,是数论中由古希腊人提出的Eratosthenes筛法,虽然显得很笨拙,但是至今并没有更好的筛法出现,听说陈景润在文革时期破解哥德巴赫猜想的过程中,就是用这个方法解决的{1+2}。相信学编程的同学,肯定是不会陌生的。
好,回到正题,先看看被2踢掉的10000以内的合数在图像上有什么特征呢?
图像是如此的对称,也跟质数画出的螺旋很像,这就是在约率控制下的质数螺旋图中空白部分最主要的组成部分。
再看被3踢掉的合数图像
我看着都有点眼花缭乱的感觉,既像右旋,又像左旋。不过还是蛮对称的。
这是因为
弧度=6.2832,被3除以后还留着一个0.2832,所以大约转了6圈,还有0.28弧度的差额。而0.2832弧度再乘以22就等于6.23007675,弧度只差0.05311左右 ,所以再多过22个循环,我们又看到了一条看似连着的线。反正3的倍数中有很多与的倍数相近,如果3的倍数比的倍数小,也就是3的倍数走的慢,我们就会看到图像中的右旋,如果3的倍数比的倍数大,我们会看到左旋,因为走得快。这里如果详细分析起来,会很绕,很麻烦,大家理解个大概的意思就行了。
如果我们将3的倍数螺旋图,按照点的先后顺序按照线段连接,会有惊喜哦!!!
这个如果刺长得少一点,会像青天白日旗。我相信,随着质数的不同(比3大的)会更似青天白日旗。
下面还有一些局部放大图。
这是内部的。像鸟巢,我有理由相信,鸟巢的设计师用直的钢管围出的网状立体图,可能借鉴过与此图类似的图形,才获得那么美妙的灵感。
这是外沿的
还有中间的
下面是被5踢掉的合数
和3的差不多,就不细分析了,继续上图。
中间明细看到正五边形的轮廓。
继续上图,直到质数11为止(因为质数11会有质数2相类似的图,猜测有4根螺线)
被7踢掉的合数
内部右旋,外侧明显左旋。
中间有立体感。
被11踢掉的合数
这是重头戏,和预测的完全一样,约率中的22,两倍为44=4*11,图形中能明显看到4条右旋臂,其中2条与被质数2踢掉的悬臂重合,还有两条正好夹在2的两条悬臂中间,一共凑成3条悬臂。
为了详细说明这点,我们将2踢掉的合数和11踢掉的合数,放在一个图形中看。
左边和右边那根红色和蓝色重合的线,为既能整除2,又能整除11,即整除22的螺线。上下两根为仅仅能整除11的螺线,它们与相邻的两条被2整除的线合在一起,就成了一条跨越3个螺线的空白带。这也就解释了下图中最宽的空白带。
至于这个素数图中第二宽的空白带,就是由于那些只被2整除,不被11整除的合数引起的。而每条有素数的旋臂中那些断断续续,不太规则的空白点,就是由那些诸如,3,5,7,13,17,19等质数踢掉的合数所干扰的,因为3,5,7,13,17,19等质数所抠掉的和数,分布没有2,11踢掉的和数有如此相似的规律。这有点像物理中的共振,当物体自然振动频率,和外界施加周期性振动频率想吻合,就造成了共振。这里2,11有共振的特征,而其他的质数虽然各自都有自己的频率,但是汇集到一起,就显得很乱了,对总的质数旋臂图像,就只能停留在小打小闹上,把每条旋臂左抠一个洞,右抠一个洞。
补充被11抠掉的合数所作的线段连接图。
这怎么看怎么像一个纳粹卍字图标。
看到这里,我希望众位知友再去看看我之前粗略写的,也就是开头的部分。相信大家由这里详细的分析能看懂关于密率里面的,5,71的相关内容。
简单说就是,在数据量增大时,就到了密率的控制区,会有5条中心对称的大空隙,和71条稍微小一点的空隙,至于5条大空隙中为什么少了一条,还是留给众知友思考吧。等到差不多的时候,我会附上后面的分析。
回答完毕。睡觉去了。。。
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根据评论区
的提醒,之前给出的极坐标连续化方程有漏洞,不能成立,特此更正。至于什么样的方程才是合适的连续方程,而且要满足间断点列都在方程上,这里面还是有点困难,应该与的无理性有关。本人水平有限,还没搞定。具体的还等大家一起思考。
回到之前留下的疑问,对于密率确定的螺旋线,这里给出缝隙宽度的分析方法
螺旋宽度的定义
首先,我们定义一条合数螺旋线的宽度为1,两条相邻的螺旋线宽度为2,以此类推;
如果总共有N条相邻的螺旋线在一起,我们称它的宽度为N。
素数螺旋中的空白带状区域是由合数产生的,下面依然采取分析合数的宽度,来确定素数图像中的白色带状区。
我们将自然数集合按照710的剩余类做一个划分,即
同样的,将如果按照2,5,71的剩余累划分我们有
可以发现,2的剩余类是偶,奇间隔排列;5的剩余类隔5个数循环一次,71的隔71循环一次。也就是说对于0,1,2,3...709这710个数,分别隶属于2,5,71的某个剩余类中。
为了让大家看清楚这种间隔隶属关系,我做了一个excel表格,百度网盘地址
。需要注意的是,表格中有n个相邻的数为2,5,71倍数,则说明在这一块区域就宽度n。
希望大家仔细看完表格,再看我下面的分析。
宽度的判定
对710进行因子分解得到
对于因子2,如果自然数集合之中
,设,则一定为合数
(其中为同余符号)
这就决定了,每间隔一个数,就会出现一条纯合数螺旋线,宽度为1,这样的螺旋线共有条。
对于因子5,若则表示对应的自然数分别被5,2,2整除。也全是合数
至于那就有可能是质数了。
当且说明t被5整除,不被2整除,由于因子2所形成的螺旋线,必是间隔排列,满足且的螺旋线必然在2的两条螺旋线中间(不被2整除,就只能在夹缝中求生存),这种情况下,就产生了三条(一个5,两个2)相邻的螺旋线,宽度为3;总共有条
当或时,能被2整除,所以它与2的螺旋线重合。不会显示在图形中;
当,有可能为合数,有可能为质数,这种情况顶多在质数螺旋线中间挖许多小洞洞。不会影响螺旋线的大体走势。
至于因子71
当时这样的数共有10种,我们详细讨论下
与2,5均互质,由于t=70时,70是2和5的公倍数,5在这里不起作用,这样就只有
70,71,72三条螺旋线,宽度为3;
被2整除,只有142一条螺旋线,宽度为1;
212,213,214,215,216——5条螺旋线,宽度5
其中212,214,216为2螺旋线,213为71螺旋线,215为5螺旋线;
被2整除,效果不表现出来,但是284,285,286中285被5整除,284,286被2整除,所以这里有3条螺旋线,宽度3;
,,,
这四个,分别被5,2,2,2(5),整除,宽度分别为3,3,1,1
由于这里既不是2,也不是5的因子,所以他是独立的,而附近的495为5的倍数,介于两个2的倍数494,496之间。所以这一块形成一个宽度为5的螺旋带,5个数分别问494,495,496,497,498.
宽度为3,分别为638,639,640.
结论:最宽的为宽度5,有2条;次宽的宽度为3,有5条;最次宽度1,有3条。
其中能被2或5整除的共有35+14-7=42个小类,能归类到2,5的类去,都为合数,而且和2,5确定的螺旋线重合。对图形不影响。
还有28小类,中间有质数存在。
这里采用了穷举法,来分析每个类别。如果用简单的语言来描述,那就是:将710以内的数,找出被2,5,71整除的数,全部从大到小排列,再从这个排列中找连续的3个或5个自然数,就是宽度为3,5的带;那些落单的自然数,自己单独呈一条小小的螺旋线。
