Введение

Онлайн-база данных целочисленных последовательностей. Онлайн-энциклопедия целочисленных последовательностей (OEIS) — это онлайн-база данных целочисленных последовательностей. Она была создана и поддерживалась Нилом Слоуном во время его работы в лабораториях AT&T. В 2009 году он передал интеллектуальную собственность и обслуживание OEIS Фонду OEIS. Слоун является председателем Фонда OEIS. OEIS содержит информацию о целочисленных последовательностях, представляющих интерес как для профессиональных, так и для любителей математики, и широко цитируется. По состоянию на 2024 год она содержит более 370 000 последовательностей, что делает её крупнейшей базой данных такого рода. Каждая запись включает в себя начальные члены последовательности, ключевые слова, математическое обоснование, ссылки на литературу и многое другое, в том числе возможность построения графика или прослушивания музыкального представления последовательности. База данных поддерживает поиск по ключевым словам, по подпоследовательности или по любому из 16 полей.

История

Нил Слоун начал собирать целочисленные последовательности в качестве аспиранта в 1964 году для поддержки своей работы в комбинаторике. База данных изначально хранилась на перфокартах. Он дважды опубликовал подборки из базы данных в книжной форме: «Справочник по целочисленным последовательностям» (1973), содержащий 2372 последовательности в лексикографическом порядке с присвоенными номерами от 1 до 2372, и «Энциклопедия целочисленных последовательностей» в соавторстве с Саймоном Плауфом (1995), содержащая 5488 последовательностей с присвоенными M-номерами от M0000 до M5487. Энциклопедия включает ссылки на соответствующие последовательности (которые могут отличаться несколькими первыми членами) из «Справочника по целочисленным последовательностям» под N-номерами от N0001 до N2372 (вместо от 1 до 2372). В Энциклопедии используются A-номера, применяемые в OEIS, в то время как в Справочнике их не было. Обе книги были хорошо приняты, и особенно после второй публикации математики регулярно предоставляли Слоану новые последовательности. Коллекция стала неуправляемой в книжном формате, и когда база данных достигла 16 000 записей, Слоун решил перенести её в онлайн – сначала в виде электронной рассылки (август 1994 года), а вскоре после этого – в виде веб-сайта (1996). В качестве побочного продукта работы с базой данных Слоун основал «Журнал целочисленных последовательностей» в 1998 году. База данных продолжает расти примерно на 10 000 записей в год. Слоун лично управлял «своими» последовательностями почти 40 лет, но начиная с 2002 года совет ассоциированных редакторов и волонтеров помогает поддерживать базу данных. В 2004 году Слоун отметил добавление 100 000-й последовательности в базу данных, подсчитывающей метки на кости Ишанго. В 2006 году пользовательский интерфейс был обновлен и добавлены более продвинутые возможности поиска. В 2010 году была создана вики OEIS на OEIS.org для упрощения сотрудничества редакторов и участников OEIS. 200 000-я последовательность, , была добавлена в базу данных в ноябре 2011 года; первоначально она была внесена как A200715, а затем, после недельных обсуждений в рассылке SeqFan и предложения главного редактора OEIS Чарльза Грейтхауса выбрать специальную последовательность для A200000, перемещена на A200000. A300000 была определена в феврале 2018 года, и к концу января 2023 года база данных содержала более 360 000 последовательностей.

Нецелые числа

Помимо целочисленных последовательностей, OEIS также каталогизирует последовательности дробей, цифры трансцендентных чисел, комплексных чисел и так далее, преобразуя их в целочисленные последовательности. Последовательности дробей представляются двумя последовательностями (обозначаются ключевым словом "frac"): последовательностью числителей и последовательностью знаменателей. Например, последовательность Фарея пятого порядка каталогизируется как последовательность числителей 1, 1, 1, 2, 1, 3, 2, 3, 4 и последовательность знаменателей 5, 4, 3, 5, 2, 5, 3, 4, 5. Важные иррациональные числа, такие как π = 3.1415926535897, каталогизируются с использованием представительных целочисленных последовательностей, таких как десятичные разложения (здесь 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3, 8, 4, 6, 2, 6, 4, 3, 3, 8, 3, 2, 7, 9, 5, 0, 2, 8, 8, ...), двоичные разложения (здесь 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, ...), или разложения в цепные дроби (здесь 3, 7, 15, 1, 292, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 14, 2, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 84, 2, 1, 1, ...).

Конвенции

OEIS был ограничен простым текстом ASCII до 2011 года и до сих пор использует линейную форму общепринятой математической нотации (например, f(n) для функций, n для переменных и т.п.). Греческие буквы обычно представляются своими полными названиями, например, mu для μ, phi для φ. Каждая последовательность идентифицируется буквой A, за которой следуют шесть цифр, почти всегда с ведущими нулями, например, A000315, а не A315. Отдельные элементы последовательностей разделяются запятыми. Группы цифр не разделяются запятыми, точками или пробелами. В комментариях, формулах и т.д. a(n) обозначает n-й элемент последовательности.

Особое значение нуля

Нуль часто используется для представления несуществующих элементов последовательности. Например, последовательность перечисляет "наименьшее простое число из n² последовательных простых чисел, позволяющее сформировать магический квадрат n × n с наименьшей магической константой, или 0, если такого магического квадрата не существует". Значение a(1) (для магического квадрата 1 × 1) равно 2; a(3) равно 1480028129. Но магического квадрата 2 × 2 такого типа не существует, поэтому a(2) равно 0. Это специальное использование имеет прочную математическую основу в некоторых счетных функциях; например, функция тотиентной валентности Nφ(m) подсчитывает количество решений уравнения φ(x) = m. Для 4 существует 4 решения, но для 14 решений нет, следовательно, a(14) в последовательности A014197 равно 0 – решений нет. Также используются другие значения, наиболее часто −1 (см. или ).

Лексикографическая последовательность

В OEIS сохраняется лексикографический порядок последовательностей, поэтому каждая последовательность имеет предшественника и преемника (её "контекст"). OEIS нормализует последовательности для лексикографического упорядочения, (обычно) игнорируя все начальные нули и единицы, а также знак каждого элемента. В последовательностях кодов распределения веса часто опускаются периодически повторяющиеся нули. Например, рассмотрим: простые числа, палиндромные простые числа, последовательность Фибоначчи, последовательность ленивого повара и коэффициенты в разложении в ряд. В лексикографическом порядке OEIS они следующие:
Последовательность №1: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97,
Последовательность №2: 2, 3, 5, 7, 11, 101, 131, 151, 181, 191, 313, 353, 373, 383, 727, 757, 787, 797, 919, 929,
Последовательность №3: 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597,
Последовательность №4: 2, 4, 7, 11, 16, 22, 29, 37, 46, 56, 67, 79, 92, 106, 121, 137, 154,
Последовательность №5: 3, 8, 3, 24, 24, 48, 3, 8, 72, 120, 24, 168, 144,
в то время как ненормированное лексикографическое упорядочение расположило бы эти последовательности следующим образом: №3, №5, №4, №1, №2.

Самореферентные последовательности

В самом начале истории OEIS были предложены последовательности, определенные с точки зрения нумерации последовательностей в самой OEIS. "Я долгое время сопротивлялся добавлению этих последовательностей, отчасти из желания сохранить достоинство базы данных, а отчасти потому, что A22 был известен только 11 членам!", – вспоминает Слоан. Одной из самых ранних самореферентных последовательностей, принятых Слоаном в OEIS, была (позже) "a(n) = n-й член последовательности An или –1, если An содержит менее n членов". Эта последовательность стимулировала прогресс в поиске большего количества членов, перечисляющих первый член последовательности An, но её необходимо время от времени обновлять из-за меняющихся взглядов на сдвиги. Перечисление вместо этого члена a(1) последовательности An могло бы показаться хорошей альтернативой, если бы не тот факт, что некоторые последовательности имеют сдвиги, равные 2 и более. Эта линия мысли приводит к вопросу: "Содержит ли последовательность An число n?" и последовательностям: "Числа n, такие что последовательность OEIS An содержит n", и "n находится в этой последовательности тогда и только тогда, когда n не находится в последовательности An". Таким образом, составное число 2808 находится в A053873, потому что A053873 – это последовательность составных чисел, в то время как непростое число 40 находится в A053169, потому что оно не входит в A001065, последовательность простых чисел. Каждое n является членом ровно одной из этих двух последовательностей, и в принципе можно определить, к какой последовательности относится каждое n, за двумя исключениями (связанными с самими этими последовательностями): Невозможно определить, является ли 53873 членом A053873 или нет. Если оно входит в последовательность, то по определению оно должно входить; если оно не входит в последовательность, то (опять же, по определению) оно не должно входить. Тем не менее, любое решение было бы непротиворечивым и также решило бы вопрос о том, находится ли 53873 в A053169. Можно доказать, что 53169 одновременно входит и не входит в A053169. Если оно входит в последовательность, то по определению оно не должно входить; если оно не входит в последовательность, то (опять же, по определению) оно должно входить. Это одна из форм парадокса Рассела. Следовательно, также невозможно ответить, находится ли 53169 в A053873.

Пробел Слоана

В 2009 году Филипп Гульельметти использовал базу данных OEIS для измерения "значимости" каждого целого числа. Результат, показанный на графике справа, демонстрирует отчетливый "разрыв" между двумя различными группами точек: "неинтересными числами" (синие точки) и "интересными" числами, которые сравнительно чаще встречаются в последовательностях из OEIS. Последние в основном включают простые числа (красный), числа вида aⁿ (зеленый) и высокосоставные числа (желтый). Это явление изучали Николас Говрит, Жан-Поль Делахей и Гектор Зенил, которые объяснили скорость формирования этих групп с точки зрения алгоритмической сложности, а сам разрыв – социальными факторами, обусловленными искусственным предпочтением последовательностей простых чисел, четных чисел, геометрических прогрессий и последовательностей, подобных числам Фибоначчи, и так далее. "Разрыв Слоуэна" был представлен в видеоролике Numberphile в 2013 году.