问题

无限循环小数的循环节长度是否可以取任意正整数值?如果可以,不同循环节长度的无限循环小数是否均匀分布?

回答
无限循环小数的循环节长度 是可以取任意正整数值的。

为什么循环节长度可以取任意正整数值?

无限循环小数的产生本质上是长除法中余数重复出现的结果。当我们在进行长除法时,除数是固定的,而余数只能是比除数小且大于等于零的整数。当余数出现重复时,整个除法过程就会开始循环,从而产生循环节。

让我们用一个例子来说明:

假设我们要计算 $frac{1}{7}$。

```
0.142857...
_______
7 | 1.000000
7

30
28

20
14

60
56

40
35

50
49

10 < 余数 1 再次出现
7

30 < 余数 3 再次出现
```

在这个过程中,我们得到的余数序列是 3, 2, 6, 4, 5, 1, 3, 2, 6, 4, 5, 1, ...
我们可以看到,当余数 1 再次出现时,接下来的数字就会重复。循环节是 142857,长度是 6。

关键点在于,只要我们选择合适的分子和分母,就可以构造出任意长度的循环节。

考虑一个分数 $frac{1}{n}$(其中 $n$ 是一个正整数,且与 10 互质)。当进行长除法 $1 div n$ 时,我们遇到的余数会在 $0, 1, 2, dots, n1$ 之间取值。由于余数只能有 $n$ 种可能(或者说,在除以 $n$ 的过程中,有效的余数有 $n1$ 种,因为余数不能等于除数 $n$)。当余数重复时,循环就开始了。

根据数论中的欧拉定理或费马小定理的推广(与模 $n$ 相关的概念),对于一个与 10 互质的正整数 $n$,存在一个最小的正整数 $k$ 使得 $10^k equiv 1 pmod{n}$。这个 $k$ 就是 $frac{1}{n}$ 的循环节长度。

只要我们能够找到一个正整数 $n$(与 10 互质),使得 $10^k equiv 1 pmod{n}$ 中的 $k$ 可以是任何我们想要的特定正整数,那么我们就可以构造出任意长度的循环节。

如何构造任意长度 $k$ 的循环节?

我们可以利用这个性质:选择一个与 10 互质的数 $n$,使得其乘法阶(或者说是模 $n$ 意义下 10 的幂的最小周期)恰好是 $k$。

长度为 1 的循环节: $frac{1}{3} = 0.333dots$,循环节是 3。
长度为 2 的循环节: $frac{1}{11} = 0.090909dots$,循环节是 09。
长度为 3 的循环节: $frac{1}{37} = 0.027027027dots$,循环节是 027。
长度为 4 的循环节: $frac{1}{41} = 0.0243902439dots$,循环节是 0243。

更一般地,我们可以选择 $n = 10^k 1$ 的因数(前提是该因数与 10 互质)。例如,如果我们想要一个长度为 $k$ 的循环节,我们可以考虑分母是 $10^k 1$ 的形式。
例如,令 $k=5$。我们考虑 $10^5 1 = 99999$。$99999 = 9 imes 11111 = 3^2 imes 41 imes 271$。
如果我们选择分母为 41,$frac{1}{41}$ 的循环节长度是 5。
如果我们选择分母为 271,$frac{1}{271}$ 的循环节长度也是 5。

通过选择合适的质数 $p$ 和构造分母 $n$,使得 $p$ 的模 $n$ 意义下的乘法阶为 $k$,我们就可以得到循环节长度为 $k$ 的循环小数。每一个正整数 $k$ 都可以是某个分数(非循环小数)的循环节长度。

不同循环节长度的无限循环小数是否均匀分布?

这是一个更深奥的问题,涉及到数论中的分布律,尤其是与素数定理和黎曼猜想相关的概念。

简单来说,无限循环小数的循环节长度的分布并不完全均匀,但从某种统计意义上来说,它们表现出某种“伪均匀”的分布特性。

让我们从几个角度来理解:

1. 循环节长度与分母的关系:
循环节的长度 $k$ 是由分母 $n$ 决定的(对于 $frac{1}{n}$ 的情况,且 $n$ 与 10 互质)。
$k$ 是模 $n$ 意义下 10 的乘法阶,记作 $ ext{ord}_n(10)$。根据群论,$ ext{ord}_n(10)$ 必须整除 $phi(n)$(欧拉函数),其中 $phi(n)$ 是小于 $n$ 且与 $n$ 互质的正整数的个数。

2. 素数的分布:
素数的分布是不均匀的。素数定理告诉我们,大约有 $x/ln x$ 个素数小于 $x$。素数在大的数范围内变得越来越稀疏。
很多循环节长度的产生依赖于具有特定乘法阶的素数。例如,如果 $p$ 是一个素数且与 10 互质,那么 $frac{1}{p}$ 的循环节长度 $k$ 是 $ ext{ord}_p(10)$。$k$ 整除 $p1$。
存在很多素数 $p$ 使得 $ ext{ord}_p(10)$ 恰好是 $p1$(这些素数被称为“原根模 10”的数论意义上的“友好”的素数)。

3. 循环节长度出现的频率:
较小的循环节长度(如 1, 2, 3, 4, 5, 6)出现的概率相对较高。 这是因为存在更多的分母可以产生这些较小的循环节。例如,长度为 1 的循环节可以由 3, 9, 37 的因数等产生。
随着循环节长度的增加,能够产生这种长度循环节的分母数量会逐渐减少。
存在无穷多的素数 $p$ 使得 $ ext{ord}_p(10)$ 的值是任意给定的偶数 $2m$(当 $2m$ 存在原根模 $m$ 时)。 这意味着很多长度是可能出现的,并且出现的“密度”是可观的。

4. “伪均匀性”的体现:
尽管不是严格均匀分布,但如果我们在一个足够大的范围内随机选取分数(或等价地,随机选取与 10 互质的分母),那么各种循环节长度的出现次数会逐渐趋于一个相对稳定的比例,但这个比例不是简单的倒数关系(例如不是说长度为 $k$ 和长度为 $k+1$ 的概率完全相同)。
一个重要的统计规律是,长度为 $k$ 的循环小数出现的“概率”与 $phi(k)/k$ 有关。 更准确地说,对于一个随机选择的与 10 互质的整数 $n$,$frac{1}{n}$ 的循环节长度为 $k$ 的概率大约与 $frac{phi(k)}{k}$ 成正比。由于 $frac{phi(k)}{k}$ 的值会随着 $k$ 的增大而减小(虽然不是单调减小,但总体趋势是减小),这意味着较大的循环节长度出现的概率相对较小。

一些更专业的观点:

BanachSteinhaus 定理和遍历理论在分析这种分布时有应用。
对于分母 $n$ 的分布,如果随机选择,那么 $n$ 的素因数分布会影响 $ ext{ord}_n(10)$ 的分布。
存在一些关于循环节长度分布的猜想,例如“Dickson 猜想的变种”或与“Chebyshev 偏性”相关的概念,这些都指向了循环节长度分布的非均匀性,但同时也表明很多长度是可能出现的。

总结:

循环节长度可以取任意正整数值。 这是由长除法的性质以及数论中关于模运算的性质决定的。
不同循环节长度的无限循环小数的分布不是严格均匀的。 较小的循环节长度出现的频率相对较高,而随着循环节长度的增加,能够产生这种长度的循环小数的分母数量会逐渐减少。然而,从统计上看,它们表现出一种“伪均匀性”,即各种长度都有可能出现,并且存在一定的规律性。

理解这种分布需要深入到数论和概率论的领域,特别是关于素数分布和模运算的性质。

网友意见

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命题1 总存在循环节任意长的循环小数.

证:定义一个周期整数数列,对任意 满足:

  • , 是最小正周期;

于是可以定义一个 进制 循环小数(循环节长度为 的循环小数). 下面我们构造循环节.

是满足以下条件的序列:

如此一来,这个序列内部不可能出现循环,因为 0 只出现了一次,于是

就是 进制 循环小数.


构造一个 2 进制的 5循环小数


定义 从小数点后就进入循环的小数,我称之为循环小数. 上例中就是纯的,而比如

就是不纯的.


题主第二个问题没有说明事件全空间,我自拟了一个问题,也算是符合题目……吧——

命题2 进制循环节长度不超过 的纯循环小数中,循环小数出现的概率如何?

PS:请原谅这里的命题我使用了疑问的句式,因为在得到结论前我也不知道概率究竟如何.

证:由题意,全空间记为

其中 表示纯 循环小数全体,显然这是一个等价划分.

下面需要对 进行计数. 设 ,即

是不可以任意选取的,因为要避免该序列内部出现更短的循环. 例如

它就是一个伪 4循环,实则是 2循环. 注意到,


引理1 为素数,则 .

证:若

中出现比 更小的循环节,则只能是 1循环. 否则,存在与 相等的纯 循环 ,

不全都相等,不妨设 .

,其中

我们观察 中 与 之间的 与两者的距离(序号之差):

  • 若 , ,这与 是 循环矛盾;
  • 若 , ,同上,矛盾.

于是,从所有可能的情况数 中,减去掉 个 1循环,即证所求.

研究完素数的情况,就可以推广到合数的情况.

引理2 为正整数,则

.

证:显然.

于是全空间的元素个数为:

引理3 全空间元素个数的上界为

证:由定义

最后使用等比数列、等差数列求和公式即可得到题干中粗糙的上界.


不忘初心,我们回到命题 2 的证明.


为了形象展示上面的概率分布,我列举几种二进制纯循小数.


此处我仅列举 的纯小数.

根据引理 1 ,

时,我需要列举 项,

根据引理 2,

时,我需要列举 项……

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