A diofantin közelítések elmélete a számelmélet egyik ága , amely a valós számok racionális számokkal való közelítését vizsgálja ; alexandriai Diophantusról nevezték el .
Az első probléma az volt, hogy egy valós szám mennyire közelíthető racionális számokkal. Ennél a feladatnál az a / b racionális szám "jó" közelítése egy α valós számnak, ha az a / b és α közötti különbség abszolút értéke nem csökkenthető úgy, hogy a / b -t egy másik racionális törtre cseréljük egy kisebbre. névadó. A problémát a 18. században a tört folytatásával oldották meg .
Ha egy adott szám "legjobb" közelítései ismertek, akkor a terület fő feladata az előbb említett különbség pontos felső és alsó határának megtalálása, a nevező függvényében kifejezve.
Úgy tűnik, hogy a korlátok a valós számok természetétől függnek – a racionális számok másik racionális számmal való közelítésének alsó korlátja nagyobb, mint az algebrai számok alsó korlátja , amely maga is nagyobb, mint a valós számok alsó korlátja. Így az algebrai számok határánál jobban közelíthető valós számok határozottan transzcendentális számok . Ez tette lehetővé, hogy Liouville 1844-ben megszerezze az első kifejezetten megadott transzcendentális számot. Később, hasonló módszerrel bebizonyosodott, hogy és transzcendentálisak.
Így a diofantin közelítések és a transzcendentális számok elmélete nagyon közeli területek, és számos általános tételt és módszert tartalmaznak. A diofantin-közelítéseknek a diofantin-egyenletek tanulmányozásában is vannak fontos alkalmazásai .
Miután Borel és Khinchin megállapította, hogy szinte minden szám csak a racionális számok „legrosszabb közelítését” engedi meg, kialakult a diofantin közelítések metrikus elméletének iránya (a független mennyiségek közelítésének elmélete), amely a diofantin közelítések klasszikus ágához tartozik. .
Egy új trend váratlan irányból érkezett. Mahler a transzcendentális számokat osztályozva megfogalmazta a transzcendentális számok elméletének fő metrikai problémáját - a szinte minden szám "transzcendencia mértékére" vonatkozó hipotézist. Amikor a sejtés beigazolódott, mély kapcsolat kezdett megnyílni a diofantin közelítések klasszikus elmélete és a transzcendentális számok metrikus elmélete között. Az eredmény egy új irány kifejlesztése volt - a függő mennyiségek közelítésének elmélete.
A modern elméletben három fő megközelítés létezik.
Adott egy α valós szám , kétféleképpen lehet megtalálni α legjobb diofantin közelítését . Az első definícióban [2] egy p / q racionális szám az α szám legjobb diofantin közelítése , ha
a p / q -tól eltérő p ' / q' racionális számra úgy, hogy 0 < q ′ ≤ q .
A második definícióban [3] [4] a fenti egyenlőtlenség helyébe a
A legjobb közelítés a második definícióhoz a legjobb az első definícióhoz, de ennek az ellenkezője nem igaz [5] .
A folytonos törtek elmélete lehetővé teszi egy valós szám legjobb közelítésének kiszámítását - a második definícióhoz a törtek közönséges folytatólagos törtekként konvergálnak [4] [5] [6] . Az első meghatározáshoz a köztes törteket [2] is figyelembe kell venni .
Megjegyzés : Megállapodunk, hogyegy adott folyamatos tört megfelelő törtével jelöljük. A törtek páros k esetén növekvő , páratlan k esetén csökkenő sorozatotalkotnakEnnek a sorozatnak a szélső tagjai azonos paritású konvergensek. A köztük lévő köztes kifejezéseket köztes törteknek nevezzük [7] .Például az e = 2,718281828459045235… állandót folyamatos törtként ábrázoljuk
Legjobb teljesítményei a második definíció szerint
Míg az első definíció szerint a legjobb reprezentációk lennének
Egy α valós szám p / q racionális számmal való diofantin közelítésének egy nyilvánvaló mértéke . Ez az érték azonban mindig a kívánt kicsire tehető p és q abszolút értékének növelésével . Emiatt a közelítés pontosságát általában a q nevező valamely φ függvényével , általában a nevező negatív hatványával hasonlítják össze.
A pontosság alsó határának felső korlátja használható egy ilyen becsléshez. Az alsó korlátot általában egy olyan tétellel írják le, mint például "A valós számok valamely részhalmazának bármely α elemére és bármely p / q racionális számra " . Egyes esetekben "bármilyen racionális szám" helyettesíthető "minden racionális számmal, kivéve a véges számot", és ezt a számot úgy vesszük figyelembe, hogy φ -t megszorozunk valamilyen α -tól függő konstanssal .
A felső határoknál figyelembe lehet venni azt a tényt, hogy nem minden „legjobb” diofantin közelítés, amelyet a folytonos tört összeállításakor kapunk, nem adja meg a kívánt pontosságot. Ezért a tételek a következőt öltik: "A valós számok valamely részhalmazának bármely α eleméhez végtelenül sok p / q racionális szám létezik , hogy ".
Egy rosszul közelített szám egy olyan x szám , amelyre létezik egy pozitív c állandó , így minden racionális p / q - re van
A rosszul közelített számok pontosan korlátos részhányadosú számok [8] .
Egy racionális szám nyilvánvalóan tökéletesen közelíthető számokkal bármely i pozitív egész számra .
Ha van
mert ez egy pozitív egész szám, ezért nem kisebb, mint 1. Ez a közelítési pontosság gyenge az irracionális számokhoz képest (lásd a következő részt).
Látható, hogy a fenti bizonyítás a Dirichlet-elv egy változatát használja - egy nem-negatív szám, amely nem egyenlő 0-val, de nem kisebb, mint 1. Ezt a nyilvánvalóan triviális megjegyzést szinte minden bizonyításban alkalmazzák a diofantusi közelítések alsó határaira, még akkor is, ha bonyolultabbak.
Összegezve: egy racionális szám önmagában tökéletesen közelíthető, de bármely más racionális szám gyengén közelíthető.
Az 1840-es években Joseph Liouville megszerezte az algebrai számok közelítésének első alsó korlátját – ha x a racionális számokhoz képest n fokú irracionális algebrai szám, akkor van egy c ( x ) > 0 állandó ,
minden p és q egész számra , ahol q > 0 .
Ez az eredmény lehetővé tette számára, hogy megkapja a transzcendentális szám első bizonyított példáját, a Liouville-állandót :
,amely nem teljesíti Liouville tételét, bármilyen n hatványt is választunk.
Ez a kapcsolat a diofantin közelítések és a transzcendentális számok elmélete között a mai napig megfigyelhető. Számos bizonyítási technika közös ezen a két területen.
Több mint egy évszázada számos kísérlet történt Liouville tételének javítására – a határ bármely javítása lehetővé teszi számunkra, hogy bizonyítsuk több szám transzcendenciáját. A főbb fejlesztéseket Axel Thue [9] , Karl Siegel [10] , Freeman Dyson [11] és Klaus Roth [12] végezte el , ami végül a Thue-Siegel-Roth tételhez vezetett – Ha x irracionális algebrai szám és ε , (kis) pozitív valós szám, akkor létezik olyan pozitív c ( x , ε ) állandó ,
bármely olyan p és q egész számra , amelyre q > 0 .
Bizonyos értelemben ez az eredmény optimális, mivel a tétel állítása ε =0 esetén meghiúsul. Ez az alábbiakban ismertetett felső határok egyenes következménye.
Ezt követően Wolfgang Schmidt általánosította ezt a közös közelítések esetére, bizonyítva, hogy ha x 1 , ..., x n olyan algebrai számok, hogy 1, x 1 , ..., x n lineárisan független a racionális számoktól , és tetszőleges ε pozitív valós szám adott , akkor csak véges sok racionális n - sor van ( p 1 / q , ..., p n / q ) úgy, hogy
Ez az eredmény abban az értelemben is optimális, hogy ε nem távolítható el a kitevőből.
Az összes előző alsó korlát nem hatékony , abban az értelemben, hogy a bizonyítás nem ad módot az utasításban szereplő állandó kiszámítására. Ez azt jelenti, hogy a tétel bizonyításával nem lehet korlátokat szerezni a megfelelő Diofantine-egyenlet megoldásaira. Ezzel a technikával azonban gyakran lehet korlátozni a megoldások számát egy ilyen egyenletre.
A Baker-tétel Feldman-féle finomítása azonban effektív korlátot ad – ha x egy n fokú algebrai szám a racionális számokhoz képest, akkor léteznek hatékonyan kiszámítható c ( x ) > 0 és 0 < d ( x ) < n állandók . hogy
minden racionális számra érvényes.
Azonban, mint a Baker-tétel bármely effektív változatánál, a d és 1/ c állandók olyan nagyok, hogy ez az effektív eredmény a gyakorlatban nem alkalmazható.
A diofantin közelítések felső határára vonatkozó első fontos eredmény a Dirichlet-féle közelítési tétel , amelyből következik, hogy bármely α irracionális számhoz végtelen sok tört van , így:
.Ebből rögtön következik, hogy a Thue-Siegel-Roth tétel állításában lehetetlen megszabadulni ε -től.
Néhány évvel később ezt a tételt a következő Borel-tételre (1903) javították [13] . Bármely α irracionális számhoz végtelen sok tört van , amelyek:
.Ezért bármely irracionális szám diofantusz közelítésének felső korlátja. Ebben az eredményben az állandó nem javítható néhány irracionális szám kiküszöbölése nélkül (lásd alább).
Definíció : Két valós számot ekvivalensnek nevezünk [14] [15] , ha vannak olyan egész számok , amelyekben :
Az ekvivalenciát a valós számok feletti egész Möbius transzformáció vagy a moduláris csoport tagja, az egész számok feletti invertálható 2×2 mátrixok halmaza határozza meg. Minden racionális szám ekvivalens 0-val. Így a racionális számok ennek az összefüggésnek az ekvivalencia osztálya .
Ez az ekvivalencia lefedheti a közönséges folyamatos törteket, amint azt a következő Serret -tétel mutatja :
Tétel : Két x és y irracionális szám akkor és csak akkor ekvivalens, ha van két olyan h és k pozitív egész , hogy ha x és y folyamatos törtként vannak ábrázolva
teljesített
bármely nem negatív i egész számra . [16]
Amint fentebb említettük, a Borel-tételben szereplő állandó nem javítható, amint azt Hurwitz 1891-ben kimutatta [17] . Legyen az aranymetszés . Ekkor bármely valós állandóhoz csak véges sok olyan p / q racionális szám létezik
Ezért a javulás csak a -val egyenértékű számok kiiktatásával érhető el . Pontosabban [18] [19] : Minden olyan racionális számhoz , amely nem ekvivalens -vel, végtelen sok olyan tört van ,
Az ekvivalenciaosztályok egymás utáni kiiktatásával – mindegyiknek ki kell zárnia az egyenértékű számokat – meg lehet emelni az alsó korlátot. A folyamat eredményeként megkapható értékek a Lagrange-számok , amelyek a Lagrange-spektrum részét képezik . 3-hoz konvergálnak, és a Markov-számokhoz kapcsolódnak [20] [21] .
Legyen egy nem növekvő függvény pozitív számokról pozitív valós számokra. Egy x valós számot (nem feltétlenül algebrai) nevezünk - közelíthetőnek , ha végtelen sok p / q racionális szám van , így [22]
Khinchin 1926-ban bebizonyította, hogy ha a sorozat eltér, akkor szinte minden valós szám ( a Lebesgue-mérték értelmében ) -közelíthető, a sorozat konvergenciája esetén pedig szinte minden valós szám nem -közelíthető.
Duffin és Shaffer [23] bebizonyítottak egy általánosabb tételt, amelyből Khinchin eredménye következik, és egy olyan sejtést tettek, amely ma Duffin-Schaffer sejtésként ismert [24] . Beresnevich és Velani [25] bebizonyította, hogy a Hausdorff-mértékre vonatkozó Duffin–Schaffer-sejtés analógja ekvivalens az eredeti Duffin–Schaffer-sejtéssel, amely eleve gyengébb.
Egy fontos példa egy olyan függvényre , amelyre a Khinchin-tétel alkalmazható, egy függvény , ahol c > 1. Ennél a függvénynél a megfelelő sorozatok konvergálnak, így a Khinchin-tétel szerint a -közelíthető számok halmazának nulla Lebesgue-mértéke van a függvényen. valódi tengely. A Jarnik - Besicovitch tétel kimondja, hogy ennek a halmaznak a Hausdorff-dimenziója [26] . Konkrétan az egyesekhez közelíthető számok (amelyek nagyon jól közelíthető számok néven ismertek ) első dimenziója van, míg a mindenkire megközelíthető számhalmaz ( Liouville-számokként ismert ) Hausdorff-dimenziója nulla.
Egy másik fontos példa az a függvény, ahol . Ennél a függvénynél a megfelelő sorozatok eltérnek, és Khinchin tétele szerint szinte minden szám -közelíthető. Más szóval, ezek a számok jól közelítettek (vagyis nem rosszul közelítettek). Így a Yarnick-Besicovitch-tétel analógjának a rosszul közelített számok Hausdorff-dimenziójára kell vonatkoznia. És Yarnik valóban bebizonyította, hogy az ilyen számok halmazának Hausdorff-dimenziója egyenlő eggyel. Ezt az eredményt javította Schmidt , aki kimutatta, hogy a rosszul közelíthető számok halmaza összenyomhatatlan abban az értelemben, hogy ha bi- Lipschitz leképezések sorozata , akkor az x számhalmaz Hausdorff-dimenziója , amelyre minden rosszul közelíthető, egyenlő eggyel. Schmidt általánosította Jarnick tételét magasabb dimenziókra, ami jelentős eredmény, mivel Jarnick folytonos töredékes érvelése erősen támaszkodik a tér egydimenziós voltára.
Egy másik vizsgált terület az egyenlő eloszlású sorozat elmélete modulo 1 . Vegyünk egy a 1 , a 2 , … sorozatot valós számokból, és vegyük figyelembe azok tört részeit . Vagyis formálisabban tekintsünk egy sorozatot R/Z -ben , amely ciklikus (körnek tekinthető). A kör bármely I intervallumánál figyelembe vesszük az intervallumon belüli elemek töredékét néhány N egész számig, és összehasonlítjuk ezt az értéket az I intervallum által elfoglalt kör törtrészével . Az egyenletes eloszlás azt jelenti, hogy a korlátban, ahogy N növekszik , az intervallumban a találatok töredéke a „várt” értékre hajlik. Weyl bebizonyította az alaperedményt, hogy ez ekvivalens a sorozatból képzett Weyl-összegek korlátjával. Ez azt mutatja, hogy a diofantin közelítések szorosan kapcsolódnak az analitikus számelméletben megjelenő Weyl-összegekben (a maradék becslésekben) előforduló kölcsönös érvénytelenítés általános problémájához .
Az egyenletes eloszlással kapcsolatos téma az egyenetlen eloszlások témaköre , amely kombinatorikus jellegű.
Még mindig vannak egyszerűen megfogalmazott, de megoldatlan diofantusi közelítési problémák, mint például a Littlewood-sejtés és a magányos futó sejtés . Az sem ismert, hogy vannak-e korlátlan együtthatójú algebrai számok a tört folyamatos bővítésében.
A kiotói Matematikusok Nemzetközi Kongresszusának plenáris ülésén (1990) Grigory A. Margulis egy ergodikus elméleten alapuló, széles körű programot vázolt fel , amely lehetővé teszi számelméleti eredmények bizonyítását a félig egyszerű hazugság alcsoport-akcióinak dinamikus és ergodikus tulajdonságainak felhasználásával. csoportok . D. Ya. Kleinbock és G. A. Margulis munkája (társszerzőkkel együtt) bemutatja a diofantin közelítések klasszikus problémáinak ezen új megközelítésének erejét. A figyelemre méltó eredmények közé tartozik, hogy Margulis bizonyítja Oppenheim sejtését , amelyet évtizedekkel ezelőtt terjesztett elő további kiterjesztéssel (Dani és Margulis, Eskin-Margulis-Moses), valamint Kleinbock és Margulis bizonyítása a Baker és Sprindzhuk sejtésekről a sokaságokkal kapcsolatos diofantin közelítésekről . Ezzel a módszerrel a fenti Khinchin -eredmények különféle általánosításait kapták a metrikus diofantin közelítéseken.