dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

На скриншоте ниже – результат работы нехитрой программы на языке Python, которая вычисляет в точке x == i (мнимая единица) значение функции, известной как j-инвариант – j(x).

j(x) – это модулярная функция, которая важна, например, в теории эллиптических кривых, но в настоящей заметке теоретические детали не играют существенной роли. Значение j(x) для мнимой единицы – это целое число 1728 (в каком-то смысле, по определению). А 1728 == 12^3, что тоже не является простым совпадением, так как 12 == 2^2 * 3. Можно j(x) записать в виде бесконечной суммы (разложение Фурье или q-expansion, если хотите, где q == exp(2*π*i*x)), что и используется в программе: j(x) == q^(-1) + 744*q^(0) + 196884*q^1 + 21493760*q^2 + 864299970*q^3 +… Коэффициенты – целые числа.

Поскольку модулярные формы имеют большое значение в арифметике, коэффициенты из разложения j-инварианта проявляются в математике довольно неожиданным образом, порождая даже отдельные направления (как в случае “Чудовищной бурды” – Monstrous Moonshine, самогон, который в русскоязычной “Википедии” едва не превратился в “Монструозный отблеск”). Но это тема для другой записки, более подробной. Здесь же отметим, что так как коэффициенты – целые числа, можно взять их побольше (например, 42) и посчитать значение j(x) “численными методами”, проверив, сойдётся ли, и насколько быстро, результат. Понятно, что если в выражение для q (см. выше) подставить x == i, вместо i*i получится -1, что и делает каждый очередной элемент суммы всё меньше и меньше, несмотря на увеличивающиеся коэффициенты.

Однако здесь есть хитрости. Если использовать обычные настройки Python, то точности для вычислений не хватает, результат не сходится. Если взять math.exp() и math.pi, точность по умолчанию, получаем 1728.000000000000014825929946, причём ещё на 13 шаге суммирования – не очень-то хороший результат: больше чем 1728. Увеличение точности само по себе тут не помогает, нужно использовать модуль decimal и ввести достаточно длинные значения для π и e, заменив math.exp() и math.pi на Decimal(E**(Decimal(-2)*Pi))**n, где E и Pi – значения со многими знаками после запятой. Точность в decimal устанавливается при помощи getcontext().prec. Результат со скриншота получен для prec = 81 в Python 3.5. Всё это хорошо иллюстрирует, что компьютеры не считают в действительных числах.

Исходный код (проверьте, что символы табуляции не были “съедены” так же, как и некоторые цифры десятичного разложения):

from decimal import Decimal, getcontext
getcontext().prec = 81
Pi =	Decimal('3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982')
E =	Decimal('2.718281828459045235360287471352662497757247093699959574966967627724076630353547594571382178525166427427')
M = [
1, 744, 196884, 21493760, 864299970, 20245856256, 333202640600,
4252023300096, 44656994071935, 401490886656000, 3176440229784420,
22567393309593600, 146211911499519294, 874313719685775360,
4872010111798142520, 25497827389410525184, 126142916465781843075,
593121772421445058560, 2662842413150775245160, 11459912788444786513920,
47438786801234168813250, 189449976248893390028800, 731811377318137519245696,
2740630712513624654929920, 9971041659937182693533820, 35307453186561427099877376,
121883284330422510433351500, 410789960190307909157638144, 1353563541518646878675077500,
4365689224858876634610401280, 13798375834642999925542288376, 42780782244213262567058227200,
130233693825770295128044873221, 389608006170995911894300098560, 1146329398900810637779611090240,
3319627709139267167263679606784, 9468166135702260431646263438600, 26614365825753796268872151875584,
73773169969725069760801792854360, 201768789947228738648580043776000, 544763881751616630123165410477688,
1452689254439362169794355429376000
]
j = Decimal(0)
n = -1
for c in M:
	j = j + Decimal(c) * Decimal(E**(Decimal(-2)*Pi))**n
	print("j = ", j)
	n = n + 1
print("j^(1./3) =", float(j)**(1./3))

Адрес записки: https://dxdt.ru/2023/06/06/10255/