A folytonos tört (vagy folytatólagos tört ) az alak véges vagy végtelen matematikai kifejezése
ahol egy egész szám , a többi pedig természetes szám (pozitív egész szám) [1] . Ebben az esetben a számokat hiányos hányadosoknak vagy a folytonos tört elemeinek nevezzük [2] .
Bármely valós szám ábrázolható folyamatos törtként (véges vagy végtelen). Egy szám akkor és csak akkor jelenik meg véges törtként , ha racionális .
A folyamatos törtek fő (de semmiképpen sem az egyetlen) célja az, hogy lehetővé teszik a valós számok jó közelítését közönséges törtek formájában. A folytatásos törteket széles körben használják a számelméletben és a számítási matematikában , és általánosításaik rendkívül hasznosnak bizonyultak a számításban és a matematika más ágaiban. Használják a fizikában, az égi mechanikában , a mérnöki tudományokban és más alkalmazott tevékenységi területeken is.
Bármely valós szám ábrázolható (véges vagy végtelen, periodikus vagy nem periodikus) folytonos törttel , ahol
ahol a szám egész részét jelöli .
Egy racionális szám esetében ez a bővítés akkor ér véget, amikor néhány esetén eléri a nullát . Ebben az esetben egy véges folytonos tört képviseli . Egy hatékony algoritmus a közönséges tört folyamatos törtté alakítására az Euklidész-algoritmus . Egy racionális szám folytonos tört reprezentációja nem egyértelmű: ha az itt megadott algoritmus folytonos törtet ad , akkor a folytonos tört ugyanannak a számnak felel meg.
Az irracionális esetében minden mennyiség nullától eltérő lesz, és a bővítési folyamat a végtelenségig folytatható. Ebben az esetben egy végtelen folytonos tört képviseli . Ha a sorozat ugyanazon számok (periódus) végtelenül ismétlődő halmazából áll, akkor a folyamatos törtet periodikusnak nevezzük. Egy szám akkor és csak akkor reprezentálható végtelen periodikus folytonos törttel, ha másodfokú irracionalitás , azaz egy egész együtthatós másodfokú egyenlet irracionális gyöke .
Az n- edik („n-edik”) megfelelő törtet egy folytatólagos törtnek nevezzük véges folytonos törtnek , amelynek értéke valamilyen racionális szám . A páros számú megfelelő törtek növekvő sorozatot alkotnak, melynek határa . Hasonlóképpen a páratlan számú konvergensek csökkenő sorozatot alkotnak, amelynek határa szintén egyenlő . Így a folyamatos tört értéke mindig a szomszédos konvergensek értékei között van.
Az Euler által levezetett rekurzív képletek a konvergensek számlálóinak és nevezőinek kiszámításához:
Így a és mennyiségek polinomok -ben , amelyeket folytonosoknak nevezünk :
A konvergensek számlálóinak és nevezőinek sorozata szigorúan növekszik.
A szomszédos konvergensek számlálóit és nevezőit a reláció kapcsolja össze
(egy) |
A megfelelő törtek, amint ebből az összefüggésből látható, mindig irreducibilisek . Írjuk át a relációt a formába
Ebből következik [3] , hogy
A folytonos törtek lehetővé teszik a valós számok jó racionális közelítésének hatékony megtalálását. Ugyanis ha egy valós számot folyamatos törtté bővítünk, akkor a konvergensei kielégítik az egyenlőtlenséget.
Következmények [4] :
Bontsuk ki a számot folyamatos törtté, és számítsuk ki a konvergenseit:
A második konvergens a jól ismert arkhimédeszi közelítés. A negyedik alkalmas frakciót először az ókori Kínában szerezték be .
A következő az aranymetszet bontása :
Érdekes eredmény, ami abból a tényből következik, hogy a folytatólagos tört kifejezés nem használ 1-nél nagyobb számokat, hogy ez az egyik "rosszul" közelítő szám. Pontosabban a Hurwitz-tétel [5] kimondja, hogy bármely valós szám törttel közelíthető oly módon, hogy
Bár gyakorlatilag minden valós számnak végtelen sok közelítése van, amelyek jóval kisebbek ennél a felső korlátnál, a közelítések (azaz az 5/3, 8/5, 13/8, 21/13 stb. számok) a határértéken belül vannak. elérje ezt a határt [6] , a távolságot szinte pontosan a -tól tartva , így soha nem adunk olyan jó közelítéseket, mint például 355/113 π esetén. Kimutatható, hogy az alak bármely valós számának van ez a tulajdonsága , ahol és egész számok, és ; és azt is, hogy az összes többi valós szám sokkal jobban közelíthető.
Kísérleteket tettek arra, hogy mintákat találjanak a köbös irracionalitások [10] , valamint más , 2-nél nagyobb fokú algebrai számok és transzcendentális számok [11] folytonos törtbővítésében . Néhány transzcendentális szám esetében egyszerű minta található. Például a természetes logaritmus alapja ábrázolható [12]
és az 1 radián szög érintője a következő formában van: [13]
Egy egyszerű minta száma nem látható [14] :
Az általánosított folytonos tört esetében azonban (lásd a Változatok és általánosítások részt alább ) egyértelmű minta követhető.
Nem ismert , hogy a nem teljes részleges kiterjesztések , mint például a [ 11] [15] számok felülről korlátosak-e .
A naptár kidolgozásakor meg kell találni egy racionális közelítést az év napjainak számához , ami 365,2421988 ... Számítsuk ki ennek a számnak a tört részének megfelelő törtrészeit:
Az első töredék azt jelenti, hogy 4 évente hozzá kell adni egy plusz napot; ez az elv képezte a Julianus-naptár alapját . Ebben az esetben 1 napos hiba halmozódik fel 128 év alatt. A második értéket (7/29) soha nem használtuk, mert alig tér el a következőtől, ami sokkal pontosabb. A harmadik törtet (8/33), azaz 8 szökőévet 33 év alatt, Omar Khayyam javasolta a 11. században, és lefektette a perzsa naptár alapjait , amelyben a napi hiba 4500 év alatt halmozódik fel. ( gregorián - több mint 3280 év). Egy nagyon pontos, negyedik törtrészes változatot (31/128, a napi hiba csak 100 000 évre halmozódik fel [16] ) Johann von Medler német csillagász (1864) hirdetett, de nem váltott ki nagy érdeklődést.
A zeneelméletben az egységes temperamentumrendszer felépítésénél megkövetelik, hogy az oktáv hangközét egyenlő részekre ossza fel , ugyanakkor az ilyen részek intervallumának a lehető legközelebb kell lennie az ötödik hangközhöz . Ezek a követelmények a racionális közelítés megtalálásának problémájához vezetnek . A harmadik alkalmas tört az egyenlő tempójú pentaton skálát adja . A negyedik konvergens az oktáv klasszikus felosztásához vezet 12 egyenlő félhangra [17] .
Tekintsük a : , összehasonlítást , ahol ismertek, és feltételezhetjük, hogy koprím -val . Meg kell találni .
Bővítsük ki egy folyamatos törtté. Ez lesz a végső, és az utolsó megfelelő frakció . Helyettesítse be az (1) képletbe:
Ebből következik:
vagy
Következtetés: A maradékosztály a megoldás az eredeti összehasonlításra.
Számos forrás általánosított definíciót ad a folytatólagos törtre, lehetővé téve a hivatkozásokban nem csak az 1-et, hanem más egész számokat is (egyes forrásokban az összetettek is megengedettek ) [1] :
Ez az általánosítás növeli az elmélet rugalmasságát, de két hátránya is van: a valós szám folyamatos törtté való kiterjesztése kétértelművé válik, ráadásul a konvergensek határának megléte már nem garantált - a határ lehet végtelen vagy akár. hiányzó.
Az általánosított folytatólagos törtek esetében az Euler-képletek a következő formájúak : [19] :
Ahol
Egy speciális eset, amelyben mindent Hirzebruch folytonos törtnek neveznek [20] .
Fentebb elhangzott, hogy egy szám klasszikus folytatólagos törtté való kiterjesztése nem tartalmaz látható mintát. Egy általánosított tört esetében a Braunker-képlet [21] a következő :
Az általánosítás másik iránya abban áll, hogy a folytonos törtek apparátusát nem számokra, hanem polinomokra szerkesztjük és alkalmazzuk – azt a tényt használják, hogy a polinomok oszthatósága tulajdonságaiban közel áll az egész számok oszthatóságához [22] . Bármely polinomiális vagy tört-racionális függvény kiterjeszthető egy folyamatos törtté [23] :
Példa: kérje le a függvény dekompozícióját :
Megfeleltetést hozhat létre a folyamatos törtek és a szögek között a síkban lévő rácsokon . Ebben a tekintetben a "többdimenziós folytonos frakcióknak" különféle változatai léteznek [24] .
Az ókori matematikusok képesek voltak összemérhetetlen mennyiségek arányait egymást követő megfelelő arányok láncaként ábrázolni, és ezt a láncot az Euklidész-algoritmus segítségével kapták meg . Nyilvánvalóan így kapta meg Arkhimédész a közelítést - ez a 12. alkalmas tört vagy a 4. alkalmas tört egyharmada .
Az 5. században Aryabhata indiai matematikus hasonló "finomítási módszert" alkalmazott határozatlan első és másodfokú egyenletek megoldására. Ugyanezen technika segítségével valószínűleg megkaptuk a szám jól ismert közelítését (355/113). A 16. században Rafael Bombelli négyzetgyököket vont ki folyamatos törtekkel (lásd az algoritmusát ).
A folytonos törtek modern elméletének kezdetét Pietro Antonio Cataldi 1613 -ban helyezte el . Megjegyezte fő tulajdonságukat (az alkalmas törtek közötti helyzetet), és bevezette a modernre emlékeztető elnevezést. Később elméletét kibővítette John Vallis , aki javasolta a „folytonos tört” kifejezést . A 18. század végén jelent meg az ezzel egyenértékű „ folyamatos lövés ” kifejezés.
Ezeket a törteket elsősorban valós számok racionális közelítésére használták; például Christian Huygens ezeket használta planetáriumának fogaskerekeinek megtervezéséhez . Huygens már tudta, hogy a konvergensek mindig irreducibilisek, és ezek jelentik az eredeti szám legjobb racionális közelítését.
A 18. században a folytonos törtek elméletét általánosságban Leonhard Euler és Joseph Louis Lagrange fejezte be .
Szótárak és enciklopédiák |
|
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|