黄金進法

黄金進法（おうごんしんぽう、golden ratio base, phinary）は、黄金比（φ = (1+√5)/2 ≈ 1.61803399）を底とした広義の記数法である。全ての非負実数はφを底とした0, 1列によって表され、このうち "11" の連続を除いたものを「標準形」と呼ぶ。"11" を含むφ進表記は、φ + 1 = φ2 という関係を用いて標準形に書き直すことができる。例えば 11φ = 100φ である。
黄金進法は無理数を底とした記数法であるが、全ての非負整数は一通りの（有限）φ進表現を持つ。また、有理数は循環小数として表すことができる。これらの表現は10進法でいうところの 1 = 0.999... のような場合を除いて一意的である。
黄金進数の標準形.
以下、下線はその桁が負であることを意味するものとする。例えば、211.01φ は、2φ2 + φ1 + 1 - φ－2 の意である。この表現は、"2" や "1"（"0"、"1"以外の数）、"11" を含むため、標準形ではない。後述する四則の計算の際に、このような表現を標準形に直す必要が出てくる。
「標準化」には、以下の置換を用いる。
置換はどの順序で行っても結果は同じである。以下に示す例では、右が適用した置換で、左がその結果である。
 211.01φ
 300.01φ 011φ → 100φ
 1101.01φ 0200φ → 1001φ
 10001.01φ 011φ → 100φ（再）
 10001.101φ 010φ → 101φ
 10000.011φ 010φ → 101φ（再）
 10000.1φ 011φ → 100φ（再）
この方法で、任意の正の非標準形φ進数は一意に標準化できる。上記のルールでできる限りの置換を行った結果、先頭の桁が 1 であれば、その表現は負の数である。マイナスの符号を付して、1 と 1 を互いに入れ替えることにより、符号付きの標準形を得ることができる。例えば、
などと計算される。
整数の黄金進数表現.
通常の意味での整数を、黄金進数で表すと有限小数となる。例として、整数 5 をφ進法で表す手続きを見よう。
5 以下で最も大きなφの冪は φ3 = 1 + 2φ ≈ 4.236 である。5 との差を取ると、5 - (1 + 2φ) = 4 - 2φ ≈ 0.763 である。これ以下で最も大きなφの冪はφ－1 = -1 + 1φ ≈ 0.618 である。差を取ると、4 - 2φ - (-1 + 1φ) = 5 - 3φ ≈ 0.145 である。これ以下で最も大きなφの冪は φ－4 = 5 - 3φ ≈ 0.145 である。差を取ると 0 である。したがって、
であり、φ進法で表すと 1000.1001φ である。
ここで暗に用いている事実は、φの冪は全てある整数 "a", "b" を用いて "a" + "b" φの形で書ける、ということである。これを確かめるには、φ2 = φ + 1 と φ－1 = -1 + φ に注意すればよい。そして、このような形の数同士の大小を調べることは易しい。実際、"a" + "b"φ > "c" + "d"φ は 2("a" － "c") － ("d" － "b") > ("d" － "b") × √5 と同値であり、この大小関係は一方のみが正であれば自明であるし、そうでなければ両辺を平方することにより確かめられる。
黄金進法により有限小数となるのは、通常の意味での整数のみならず、環
の元であり、またそれに限ることが容易に分かる。
非一意性.
N進数のときと同じように、黄金進数にも複数の表現がある。10進法における 0.999...=1 と同様に、φ進法では 0.1010101…φ が 1 と等しいことが、以下の各方法で確かめられる。
この非一意性は記数法の特徴であり、1.0000 も 0.101010… も標準形である。一般に、φ進数における最後の 1 を 01 の繰り返しに置換することによって、別の標準形を作ることができる。
有理数の黄金進数表現.
非負の有理数は黄金進数表現として循環小数で表すことができる。実は、循環小数で表すことができるのは、通常の意味での有理数のみならず、Z[φ] の商体
の元であり、またそれに限る。いくつか例を挙げる。
Q(φ) の元の黄金進数表現が有限小数となることの証明は、通常の十進法の場合と同様である。実際、割り算を筆算で行った場合の余りの可能性は有限個しかないため、繰り返しのパターンが現れる。例えば、1/2 = 1/10.01φ = 100φ/1001φ の筆算は次のようになる。
 0.0 1 0 0 1 ...
 1 0 0 1 ) 1 0 0.0 0 0 0 0 0 0 0
 1 0 0 1
 1 0 0 0 0
 1 0 0 1
 ...
ここに、引き算が少々難しいが、10000φ = 1100φ = 1011φ より 10000φ - 1001φ = 10φ であることを用いている。
逆に、黄金進数表現で循環小数であるものが Q(φ) の元に限ることを見るには、循環小数の意味するところが、公比がφの冪である等比級数であることに注意すればよい。
無理数の黄金進数表現.
通常の意味での無理数であっても、Q(φ) の元であれば黄金進数表現において有限小数となる。
一方、Q[φ] の元でない実数は循環しない無限小数となる。
四則計算.
10進法の通常の四則と同様にして、φ進法においても四則が行える。加法、減法、乗法については、以下のように大きく2つの方法がある。
計算して標準化.
2つのφ進数の加法として、各々の桁を（繰り上がり等を気にせず）そのまま足してから標準形に直す方法が考えられる。減法も同様に（上の桁から借りてくることを気にせず、必要なら 1 の記号を用いることにより）そのまま引いてから標準化すればよい。乗法も同様である。以下に計算の例を挙げる。
0と1以外の数字を避ける.
さらに「自然な」方法として、1 + 1 の加法または 0 - 1 の減法を避ける方法がある。これはφ進数を非標準形に置換することによって実現できる。例えば、次のようにする。
除法.
すでに見たように、除法は筆算によって行うことができる。商が Z[φ] の元ならば筆算が有限回で終了して有限小数となり、Q(φ) の元ならば繰り返しが生じて循環小数を得る。
フィボナッチ符号との関係.
はフィボナッチ数の重みを持つ0,1列である。φ進法と同じように、標準形は F"k"+1 = F"k" + F"k"-1が適用され、"11" を持たない。例えば、30 は
と表現される。