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Fibonacci数の総和 ~項をmoduloで分けてみよう~

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Fibonacci数の総和

以下, 数列{Fn}n=1をFibonacci数列とする.
Fibonacci数列の総和は, 具体的に次のように求められる.

Fibonacci数の総和

i=1nFi=Fn+21

Fn+2Fn+1=FnFn+1Fn=Fn1FnFn1=Fn2F3F2=F1
の辺々を足せばよい.

では,
1in,i0(mod2)Fi,1in,i1(mod2)Fi,
などはどうだろうか?実は, これらも具体的に求めることができる. さらに, 34を法としても, 簡単に求められるのである.

mod 2の場合

i=1nF2i=F2n+11,i=1nF2i1=F2n.

α=i=1nF2i,β=i=1nF2i1とおくと,
αβ=(F2F1)+(F4F3)+(F6F5)++(F2nF2n1)=0+F2+F4++F2n2=αF2n
より, β=F2n. また定理1から
α+β=F2n+21
が成り立つゆえ
α=F2n+2F2n1=F2n+11.

これから, 次が得られる.

2の総和

1in,i0(mod2)Fi=F2n2+11,1in,i1(mod2)Fi=F2n+12.

mod 3の場合

証明の発想はmod2の場合と同じである.

i=1nF3i=F3n+212,i=1nF3i1=F3n+112,i=1nF3i2=F3n2.

α=i=1nF3i,β=i=1nF3i1,γ=i=1nF3i2とおくと,
α+β+γ=F3n+21,αβ=(F3F2)+(F6F5)++(F3nF3n1)=F1+F4++F3n2=γ,βγ=(F2F1)+(F5F3)++(F3n1F3n2)=F2+F5++F3n3=αF3n
が成り立つので, 連立方程式とみて解けば
α=F3n+212,β=F3n+112,γ=F3n2
が得られる.

上から, 次が成り立つ.

3の総和

1ini0(mod3)Fi=F3n3+212,1ini1(mod3)Fi=F3n3+112,1ini2(mod3)Fi=F3n32,

mod 4の場合

法が4の場合は, うまく対応しておりとてもきれいである. 変数が多くなるだけで証明方法は同じなので省略する.

i=1nF4i=F4n+4F4n535,i=1nF4i1=F4n+3F4n1515,i=1nF4n2=F4n+2F4n2525,i=1nF4n3=F4n+1F4n35+15.

mod kの場合

同様に,i=1nFki+rを求めたい. しかし, kが合成数の場合は導出できるのに対し, 素数の場合はなぜかうまくいかないので, kに関する場合分けが必要なのではとにらんでいる. また進捗が生まれたらここに追記したい.

投稿日:202112
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解析数論が好きです! ねこに包まれたい。

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  2. mod 2の場合
  3. mod 3の場合
  4. mod 4の場合
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