Непрерывная дробь (или цепная дробь) — это конечное или бесконечное математическое выражение вида

где есть целое число, а все остальные  — натуральные числа (положительные целые)[1]. При этом числа называются неполными частными или элементами цепной дроби[2].

Любое вещественное число можно представить в виде цепной дроби (конечной или бесконечной). Число представляется конечной цепной дробью тогда и только тогда, когда оно рационально.

Главное (но далеко не единственное) назначение непрерывных дробей состоит в том, что они позволяют находить хорошие приближения вещественных чисел в виде обычных дробей. Непрерывные дроби широко используются в теории чисел и вычислительной математике, а их обобщения оказались чрезвычайно полезны в математическом анализе и других разделах математики. Используются также в физике, небесной механике, технике и других прикладных сферах деятельности.

Разложение в цепную дробь

Любое вещественное число может быть представлено (конечной или бесконечной, периодической или непериодической) цепной дробью , где

где обозначает целую часть числа .

Для рационального числа это разложение оборвётся по достижении нулевого для некоторого . В этом случае представляется конечной цепной дробью . Эффективным алгоритмом для преобразования обычной дроби в цепную является алгоритм Евклида. Представление рационального числа в виде непрерывной дроби неоднозначно: если приведённый здесь алгоритм даёт непрерывную дробь , то непрерывная дробь соответствует тому же самому числу.

Для иррационального все величины будут ненулевыми и процесс разложения можно продолжать бесконечно. В этом случае представляется бесконечной цепной дробью . Если последовательность состоит из бесконечно повторяющегося набора одних и тех же чисел (периода), то цепная дробь называется периодической. Число представляется бесконечной периодической цепной дробью тогда и только тогда, когда оно является квадратичной иррациональностью, то есть иррациональным корнем квадратного уравнения с целыми коэффициентами.

Подходящие дроби

Thumb
Подходящие дроби для золотого сечения

n-й («энной») подходящей дробью для цепной дроби называется конечная цепная дробь , значение которой есть некоторое рациональное число . Подходящие дроби с чётными номерами образуют возрастающую последовательность, предел которой равен . Аналогично, подходящие дроби с нечётными номерами образуют убывающую последовательность, предел которой также равен . Таким образом, значение цепной дроби всегда находится между значениями соседних подходящих дробей.

Эйлер вывел рекуррентные формулы для вычисления числителей и знаменателей подходящих дробей:

Таким образом, величины и являются полиномами от , называемыми континуантами:

Последовательности как числителей , так и знаменателей подходящих дробей являются строго возрастающими.

Числители и знаменатели соседних подходящих дробей связаны соотношением

Подходящие дроби, как видно из этого соотношения, всегда несократимы. Перепишем соотношение в виде

Отсюда следует[3], что

Приближение вещественных чисел рациональными

Цепные дроби позволяют эффективно находить хорошие рациональные приближения вещественных чисел. А именно, если вещественное число разложить в цепную дробь, то её подходящие дроби будут удовлетворять неравенству

Следствия[4]:

  1. Подходящая дробь является наилучшим приближением исходного числа среди всех дробей, знаменатель которых не превосходит
  2. Мера иррациональности любого иррационального числа не меньше 2.

Примеры

Разложим число в непрерывную дробь и подсчитаем его подходящие дроби:

Вторая подходящая дробь  — это известное архимедово приближение. Четвёртая подходящая дробь была впервые получена в Древнем Китае.

Свойства золотого сечения

Ниже приведено разложение золотого сечения:

Интересный результат, который следует из того, что выражение непрерывной дроби для не использует чисел, больших 1, состоит в том, что является одним из самых «плохо» приближаемых чисел. Точнее, теорема Гурвица[5] утверждает, что любое действительное число может быть приближено дробью так, что

Хотя практически все действительные числа имеют бесконечно много приближений , которые находятся на значительно меньшем расстоянии от , чем эта верхняя граница, приближения для (то есть чи́сла 5/3, 8/5, 13/8, 21/13 и т. д.) в пределе достигают этой границы[6], удерживая расстояние на почти точно от , тем самым никогда не создавая столь хорошие приближения как, к примеру, 355/113 для π. Можно показать, что этим свойством обладает любое действительное число вида , где и являются целыми числами, причём ; а также, что все остальные действительные числа могут быть приближены намного лучше.

Свойства и примеры

  • Любое рациональное число может быть представлено в виде конечной цепной дроби двумя способами, например:
  • Теорема Лагранжа: Число представляется в виде бесконечной периодической цепной дроби тогда и только тогда, когда оно является иррациональным решением квадратного уравнения с целыми коэффициентами.
Например:
золотое сечение
  • Теорема Гаусса — Кузьмина: почти для всех (кроме множества меры нуль) вещественных чисел распределение элементов соответствующих им цепных дробей подчиняется статистике Гаусса — Кузьмина; в частности, существует среднее геометрическое всех элементов, и оно равно постоянной Хинчина.
  • Теорема Маршалла Холла. Если в разложении числа в непрерывную дробь, начиная со второго элемента не встречаются числа большие , то говорят, что число относится к классу . Любое вещественное число может быть представлено в виде суммы двух чисел из класса и в виде произведения двух чисел из класса [7] В дальнейшем было показано, что любое вещественное число может быть представлено в виде суммы трёх чисел из класса и в виде суммы четырёх чисел из класса . Количество требуемых слагаемых в этой теореме не может быть уменьшено — для представления некоторых чисел указанным образом меньшего количества слагаемых недостаточно[8][9].

Открытые проблемы

Предпринимались попытки найти закономерности в разложениях в непрерывную дробь кубических иррациональностей[10], а также других алгебраических чисел степени, большей 2, и трансцендентных чисел[11]. Для некоторых трансцендентных чисел можно найти простую закономерность. Например, основание натурального логарифма представимо в виде[12]

а тангенс угла в 1 радиан — в виде[13]

У числа простой закономерности не видно[14]:

Однако для обобщённой непрерывной дроби (см. ниже раздел Вариации и обобщения) прослеживается ясная закономерность.

Неизвестно, ограничены ли сверху неполные частные разложения таких чисел, как или [11][15].

Приложения цепных дробей

Теория календаря

При разработке солнечного календаря необходимо найти рациональное приближение для числа дней в году, которое равно 365,2421988… Подсчитаем подходящие дроби для дробной части этого числа:

Первая дробь означает, что раз в 4 года надо добавлять лишний день; этот принцип лёг в основу юлианского календаря. При этом ошибка в 1 день накапливается за 128 лет. Второе значение (7/29) никогда не использовалось, поскольку оно мало отличается от следующего, гораздо более точного. Третья дробь (8/33), то есть 8 високосных лет за период в 33 года, была предложена Омаром Хайямом в XI веке и положила начало персидскому календарю, в котором ошибка в день накапливается за 4500 лет (в григорианском — за 3280 лет). Очень точный вариант с четвёртой дробью (31/128, ошибка в сутки накапливается только за 100000 лет[16]) пропагандировал немецкий астроном Иоганн фон Медлер (1864 год), однако большого интереса он не вызвал.

Теория музыки

В теории музыки при построении равномерно темперированного строя требуют, чтобы интервал октавы делился на равных частей, и при этом интервал из таких частей был по возможности близок к интервалу квинты . Эти требования приводят к задаче отыскания рационального приближения для . Третья подходящая дробь даёт равномерно темперированную пентатонику. Четвёртая подходящая дробь приводит к классическому делению октавы на 12 равных полутонов[17].

Решение сравнений первой степени

Рассмотрим сравнение: , где известны, причём можно считать, что взаимно просто с . Надо найти .

Разложим в непрерывную дробь. Она будет конечной, и последняя подходящая дробь . Подставим в формулу (1):

Отсюда вытекает:

или

Вывод: класс вычетов является решением исходного сравнения.

Другие приложения

Вариации и обобщения

Ряд источников дают обобщённое определение непрерывной дроби, допуская для числителей в её звеньях не только 1, но и другие целые (в некоторых источниках допускаются даже комплексные) числа[1]:

Это обобщение повышает гибкость теории, но имеет два недостатка: разложение вещественного числа в непрерывную дробь становится неоднозначным и, кроме того, существование предела подходящих дробей уже не гарантировано — предел может быть бесконечен или вообще отсутствовать.

Для обобщённых непрерывных дробей формулы Эйлера имеют вид[19]:

При этом

Частный случай, в котором все , называется непрерывной дробью Хирцебруха[20].

Выше было сказано, что разложение числа в классическую непрерывную дробь не содержит видимой закономерности. Для обобщённой же непрерывной дроби имеет место формула Браункера[21]:

Другое направление обобщения состоит в построении и применении аппарата непрерывных дробей не для чисел, а для многочленов — используется тот факт, что делимость многочленов по своим свойствам близка к делимости целых чисел[22]. Всякий многочлен или дробно-рациональная функция может быть разложена в непрерывную дробь[23]:

Пример: получим разложение для функции :

Можно установить соответствие между непрерывными дробями и углами на решётках на плоскости. В связи с этим существуют различные варианты «многомерных непрерывных дробей»[24].

Историческая справка

Античные математики умели представлять отношения несоизмеримых величин в виде цепочки последовательных подходящих отношений, получая эту цепочку с помощью алгоритма Евклида. По-видимому, именно таким путём Архимед получил приближение  — это 12-я подходящая дробь для или одна треть от 4-й подходящей дроби для .

Thumb
Книга Катальди

В V веке индийский математик Ариабхата применял аналогичный «метод измельчения» для решения неопределённых уравнений первой и второй степени. С помощью этой же техники было, вероятно, получено известное приближение для числа (355/113). В XVI веке Рафаэль Бомбелли извлекал с помощью цепных дробей квадратные корни (см. его алгоритм).

Начало современной теории цепных дробей положил в 1613 году Пьетро Антонио Катальди. Он отметил основное их свойство (положение между подходящими дробями) и ввёл обозначение, напоминающее современное. Позднее его теорию расширил Джон Валлис, который и предложил термин «непрерывная дробь». Эквивалентный термин «цепная дробь» появился в конце XVIII века.

Применялись эти дроби в первую очередь для рационального приближения вещественных чисел; например, Христиан Гюйгенс использовал их для проектирования зубчатых колёс своего планетария. Гюйгенс уже знал, что подходящие дроби всегда несократимы и что они представляют наилучшее рациональное приближение для исходного числа.

В XVIII веке теорию цепных дробей в общих чертах завершили Леонард Эйлер и Жозеф Луи Лагранж.

См. также

Примечания

Литература

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.