Frações egípcias – 4
Há cerca de 4000 anos, os antigos egípcios desenvolveram um sistema em que todas as suas frações tinham a forma
1/n. Estes são chamados Frações egípciasAlgumas frações egípcias podem ser escritas como a diferença de dois.
Frações egípcias. ⅓ = ½ – ⅙ é um exemplo disso.
O DESAFIO
Quais frações egípcias podem ser escritas como a diferença de duas frações egípcias em apenas um número?
De uma só maneira? Quais podem ser escritas exatamente de duas maneiras? Existem algumas que podem ser escritas de mais de duas maneiras?
1/N = 1/A – 1/B
Notas
O DESAFIO
Um ponto importante a observar é que, para qualquer valor de n, existe um número limitado de soluções possíveis. Se 1/N = 1/A – 1/B, então 1/A – 1/N = 1/B > 0. 1/A – 1/N > 0 significa que N > A. Portanto, 1 < A < N, o que significa que existem, no máximo, N – 2 soluções, e elas podem ser encontradas, de forma um tanto trabalhosa, verificando todos os valores de A nesse intervalo.
Para denominadores que são números pares, digamos 2d, sempre existe 1/2d = 1/d – 1/2d.
Outra maneira de produzir diferenças é começar com uma fórmula de adição. A mais simples que temos é 1/n = 1/(n+1) + 1/[n(n+1)]. Isso se torna 1/(n+1) = 1/n – 1/[n(n+1)]. Uma versão mais geral disso é 1/ab = 1/[a(a+b)] + 1/[b(a+b)], que se torna 1/[a(a+b)] = 1/ab – 1/[b(a+b)], onde ab > 1.
Portanto, sempre que o denominador puder ser fatorado como a(a+b), com a e b positivos e ab > 1, teremos uma diferença. Em particular, como todo número n > 2 pode ser escrito como n = 1 x (1 + (n-1)), então toda fração egípcia pode ser escrita como uma diferença de pelo menos uma maneira. Aqui estão alguns exemplos:
- ⅓: a = 1, b = 2 resulta em ½ – ⅙
- ¼: a = 1, b = 3 resulta em ⅓ – 1/12
- ⅕: a = 1, b = 4 resulta em ¼ – 1/20
- ⅙: a = 1, b = 5 resulta em ⅕ – 1/30; a = 2, b = 1 resulta em ½ – ⅓
- 1/7: a = 1, b = 6 resulta em ⅙ – 1/42
- ⅛: a = 1, b = 7 resulta em 1/7 – 1/56; a = 2, b = 2 resulta em ¼ – 1/8
Isso não é tudo. Por exemplo, esquecemos de mencionar ⅙ = ¼ – 1/12.
Recorrendo à álgebra, para a > 1 e b > a > 1, considere 1/n = 1/a – 1/b = (b – a) / ab. Eliminando os denominadores, obtemos ab = n(ba), e resolvendo para n, obtemos n = ab/(ba). Sempre que encontrarmos valores de a e b que tornem essa equação válida, conseguiremos calcular a diferença.
Vamos analisar as soluções completas de alguns exemplos sob essa perspectiva e ver se conseguimos identificar um padrão.
- 3 = 2 x 6 / (6 – 2)
- 4 = 2 x 4 / (4 - 2) = 3 x 12 / (12 – 3)
- 5 = 4 x 20 / (20 – 4)
- 6 = 2 x 3 / (3 – 2) = 3 x 6 / (6 – 3) = 4 x 12 / (12 – 4) = 5 x 30 / (30 – 5)
- 7 = 6 x 42 / (42 – 6)
- 8 = 4 x 8 / (8 – 4) = 6 x 24 / (24 – 6) = 7 x 56 / (56 – 7)
Analisando esses exemplos, parece provável que haja apenas uma solução quando n é primo. Vejamos porquê. Se n é primo e a < n, então n = axb / (b – a) força b a ser um múltiplo de n, digamos b = nx c. Então n = ax nc / (nc – a) significa que ac / (nc – a) = 1, o que implica ac = nc – a. Reescrevendo isso, obtemos nc = a(c + 1). Como n é primo, temos c + 1 = n e a = c = n – 1. Portanto, a = n – 1 e b = n(n-1) são as únicas soluções.