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
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
(1) |
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]:
- Подходящая дробь является наилучшим приближением исходного числа среди всех дробей, знаменатель которых не превосходит
- 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:
- 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
- Доказательство иррациональности чисел. Например, с помощью цепных дробей была доказана иррациональность значения дзета-функции Римана (константа Апери)
- Решение в целых числах уравнения Пелля[18]: и других уравнений диофантова анализа
- Определение заведомо трансцендентного числа (см. теорема Лиувилля)
- Алгоритмы факторизации SQUFOF и CFRAC.
- Характеристика ортогональных многочленов
- Характеристика устойчивых многочленов
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 .
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.