Tính chất Số_Lucas

Công thức tổng quát

Công thức tổng quát của số Lucas:

L n = φ n + ( 1 − φ ) n = φ n + ( − φ ) − n = ( 1 + 5 2 ) n + ( 1 − 5 2 ) n , {\displaystyle L_{n}=\varphi ^{n}+(1-\varphi )^{n}=\varphi ^{n}+(-\varphi )^{-n}=\left({1+{\sqrt {5}} \over 2}\right)^{n}+\left({1-{\sqrt {5}} \over 2}\right)^{n}\,,}

với φ {\displaystyle \varphi } bằng Tỉ lệ vàng.

Một tính chất khá thú vị, L n {\displaystyle L_{n}} là số nguyên gần với φ n {\displaystyle \varphi ^{n}} nhất.

Mối liên hệ với các số Fibonacci

Số Lucas liên hệ với số Fibonacci bởi các hằng đẳng thức sau:

  • L n = F n − 2 + F n {\displaystyle \,L_{n}=F_{n-2}+F_{n}}
  • tổng quát hơn là công thức sau:

L n = F k + 2 . L n − k + F k + 1 . L n − k − 1 {\displaystyle L_{n}=F_{k+2}.L_{n-k}+F_{k+1}.L_{n-k-1}} với mọi k<n; (2.1)

Chứng minh

Chứng minh quy nạp.

k=0, thì công thức (2.1) hiển nhiên đúng.

Giả sử (2.1) đúng đến k<n-1, ta chứng minh nó đúng với k+1, thật vậy:

L n {\displaystyle L_{n}}

= F k + 2 . L n − k + F k + 1 . L n − k − 1 {\displaystyle =F_{k+2}.L_{n-k}+F_{k+1}.L_{n-k-1}}

= F k + 2 . ( L n − k − 1 + L n − k − 2 ) + F k + 1 . L n − k − 1 {\displaystyle =F_{k+2}.(L_{n-k-1}+L_{n-k-2})+F_{k+1}.L_{n-k-1}}

= ( F k + 2 + F k + 1 ) . L n − k − 1 + F k + 2 . L n − k − 2 {\displaystyle =(F_{k+2}+F_{k+1}).L_{n-k-1}+F_{k+2}.L_{n-k-2}}

= F k + 3 . L n − k − 1 + F k + 2 . L n − k − 2 . {\displaystyle =F_{k+3}.L_{n-k-1}+F_{k+2}.L_{n-k-2}.}

Vậy là (2.1) cũng đúng với k+1.

Suy ra điều phải chứng minh.

  • L n 2 = 5 F n 2 + 4 ( − 1 ) n {\displaystyle \,L_{n}^{2}=5F_{n}^{2}+4(-1)^{n}} , từ hệ thức liên hệ này suy ra tỉ số L n F n {\displaystyle L_{n} \over F_{n}\,} tiến đến 5 {\displaystyle {\sqrt {5}}\,} khi n {\displaystyle n\,} tiến đến +∞.
Chứng minh

Sử dụng công thức tổng quát.

  • F 2 n = L n F n {\displaystyle \,F_{2n}=L_{n}F_{n}}
Chứng minh

Chứng minh, sử dụng công thức tổng quát:

L n F n = ( φ n + ( 1 − φ ) n ) ( φ n − ( 1 − φ ) n 5 ) {\displaystyle L_{n}F_{n}=(\varphi ^{n}+(1-\varphi )^{n})({{\varphi ^{n}-(1-\varphi )^{n}} \over {\sqrt {5}}})}

Rút gọn lại được:

L n F n = ) ( φ 2 n − ( 1 − φ ) 2 n 5 = L 2 n {\displaystyle L_{n}F_{n}=)({{\varphi ^{2n}-(1-\varphi )^{2n}} \over {\sqrt {5}}}=L_{2n}}

  • F n = L n − 1 + L n + 1 5 {\displaystyle \,F_{n}={L_{n-1}+L_{n+1} \over 5}}
Chứng minh

Chứng minh bằng quy nạp theo n.

Khi chỉ số là số nguyên tố

Ln đồng dư với 1 mod n nếu n là số nguyên tố. Ngoài ra, Ln cũng có tính chất này với một số trị khác của n.

Tính chia hết giữa các số Lucas

Lmn chia hết cho Ln nếu m là số lẻ. Điều đó dẫn đến điều kiện cần của n để Ln là số nguyên tố.

Chứng minh

Sử dụng công thức tổng quát của L n {\displaystyle L_{n}} , để chứng minh hệ thức truy hồi sau:

L m n + 2 n = L m n . L 2 n − L | m n − 2 n | ( 1 ) {\displaystyle L_{mn+2n}=L_{mn}.L_{2n}-L_{|mn-2n|}(1)}

Từ đó suy ra:

L 3 n = L n + 2 n = L n . L 2 n − L n {\displaystyle L_{3n}=L_{n+2n}=L_{n}.L_{2n}-L_{n}}

Suy ra L 3 n {\displaystyle L_{3n}} chia hết cho L n {\displaystyle L_{n}} .

Lại dùng công thức truy hồi (1), suy ra L 5 n {\displaystyle L_{5n}} chia hết cho L n {\displaystyle L_{n}} .

Lặp lại thao tác trên k lần liên tiếp, suy ra L ( 2 k + 1 ) n {\displaystyle L_{(2k+1)n}} chia hết cho L n {\displaystyle L_{n}} , điều phải chứng minh.

Số nguyên tố Lucas

Số nguyên tố Lucas là số Lucas, và đồng thời là một nguyên tố. Các số nguyên tố Lucas nhỏ nhất được biết là:

2, 3, 7, 11, 29, 47, 199, 521, 2207, 3571, 9349,... (dãy số A005479 trong bảng OEIS)

Nếu Ln là số nguyên tố thì n bằng 0, nguyên tố, hoặc là lũy thừa của 2.[1]

Các số Lucas có dạng L 2 m {\displaystyle 2^{m}} là số nguyên tố được biết cho đến nay là m {\displaystyle m} = 1, 2,3 và 4.