Arbre de Stern-Brocot
Bonjour,
Je me pose des questions sur l'exercice de spé du BAC S centre étranger juin 2017 Arbre de Stern Brocot
(exercice 4 page 5).
Cet exercice porte sur l'arbre de Stern-Brocot.
Dans la dernière question 5.b. on demande de conjecturer le rôle de l'algorithme. Personnellement pour répondre à cette question, j'ai appliqué le chemin obtenu par l'algorithme dans le cas $m=4$ et $n=7$, j'ai donc obtenu une matrice dont j'ai pris la fraction associée et qui m'a donnée 4/7, d'où la conjecture : l'algorithme permet de trouver un chemin qui mène à une matrice de fraction associée m/n.
Mon problème est que je ne comprends absolument pas comment est construit cet algorithme, comment ce que nous fait faire cet algorithme nous permet de trouver un tel chemin.
Y aurait-il des personnes familière avec l'arbre de Stern Brocot ?
Merci.
Je me pose des questions sur l'exercice de spé du BAC S centre étranger juin 2017 Arbre de Stern Brocot
(exercice 4 page 5).
Cet exercice porte sur l'arbre de Stern-Brocot.
Dans la dernière question 5.b. on demande de conjecturer le rôle de l'algorithme. Personnellement pour répondre à cette question, j'ai appliqué le chemin obtenu par l'algorithme dans le cas $m=4$ et $n=7$, j'ai donc obtenu une matrice dont j'ai pris la fraction associée et qui m'a donnée 4/7, d'où la conjecture : l'algorithme permet de trouver un chemin qui mène à une matrice de fraction associée m/n.
Mon problème est que je ne comprends absolument pas comment est construit cet algorithme, comment ce que nous fait faire cet algorithme nous permet de trouver un tel chemin.
Y aurait-il des personnes familière avec l'arbre de Stern Brocot ?
Merci.
Réponses
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Bonjour,
$\bullet $ A toute suite $(M_1,M_2...M_p)$ d'éléments de $\{G;D\}$, l'arbre de Stern-Bocrot associe la matrice $A=M_1M_{2}...M_p$
et la fraction irréductible $\dfrac xy\:\: (x,y\in \N^*)$ où $\begin{pmatrix}x\\ y \end{pmatrix}= A \begin{pmatrix} 1\\1\end{pmatrix} $.
On montre en outre (je ne détaille pas ce point pour l'instant) que toute fraction irréductible apparait au plus une fois dans l'arbre.
$\bullet$ D'autre part, l'algorithme proposé remplace à chaque étape $\begin{pmatrix} m\\ n \end{pmatrix}$ par $G^{-1}\begin{pmatrix} m\\ n\end{pmatrix}$ ou $D^{-1} \begin{pmatrix}m \\n \end{pmatrix}$ (selon que $m<n$ ou $m>n$) jusqu'à obtenir $\begin{pmatrix} 1\\1 \end{pmatrix} = L_k^{-1} ...L_2 ^{-1}L_1^{-1}\begin{pmatrix} m\\n \end{pmatrix}$ où les $L_i$ sont dans $\{G;D\},$ et l'algorithme affiche alors la suite de symboles: $L_1L_2...L_k$.
Ainsi $\begin{pmatrix}m \\ n \end{pmatrix} = L_1 L_{2}...L_k \begin{pmatrix} 1\\ 1 \end{pmatrix}$ .
Ainsi, toute fraction irréductible $\dfrac mn$ ($m,n\in \N^*$) apparait une et une seule fois dans l'arbre de Stern-Bocrot et on a:
$$\text{Si}\: \dfrac mn \:\:\text {est associé à} \:\:(M_1,M_2,...M_p), \:\:\text{alors}\:\:p=k\:\:\: \text{et}\: \:\forall i \in \{1,2 ...p\},\: M_i = L_i.$$
P.S Je viens de me rendre compte que j'avais déjà croisé cet arbre (en ignorant qu' il avait un nom) en voulant démontrer l' intéressant résultat suivant:
Soit $F:\:\: \Q^+\longrightarrow\Q^+$ définie par: $F(x)= \dfrac1{2[x] +1 -x}$ où $[x]$ désigne la partie entière de $x$, et $F^{on}$ la composée $n-\text{ième}$ de $F$.
Alors $n\longmapsto F^{on} (0)$ réalise une bijection de $\N$ sur $\Q^{+}$. -
On peut mentionner ici que si $\Pr(M_n=G)=\Pr(M_n=D)=1/2$, si les matrices aleatoires $M_n$ sont independantes et si $X_n$ est le rationnel associe a la matrice $M_1\ldots M_n$ alors la loi limite de $X_n$ est decrite par la fonction de Minkowski ?.
Voir { Letac, G. and Piccioni, M.} (2017 ) 'Random walk in the hyperbolic plane and the Minkowski question mark function.' arXiv 1708.02506.
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