Folytatólagos tört

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.

Folytatva a tört bővítést

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 .

Megfelelő törtek

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

Valós számok közelítése racionális számokkal

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] :

  1. A megfelelő tört az eredeti szám legjobb közelítése az összes olyan tört közül, amelyek nevezője nem haladja meg
  2. Bármely irracionális szám irracionalitásának mértéke legalább 2.

Példák

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 .

Az aranymetszés tulajdonságai

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.

Tulajdonságok és példák

Például: aranymetszés

Nyitott kérdések

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 .

Folyamatos törtek alkalmazásai

Naptárelmélet

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.

Zeneelmélet

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] .

Elsőfokú összehasonlítások megoldása

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.

Egyéb alkalmazások

Változatok és általánosítások

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] .

Történelmi háttér

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 .

Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 Folytatás tört // Matematikai enciklopédia (5 kötetben) . - M . : Szovjet Enciklopédia , 1985. - T. 5.
  2. Arnold, 2000 , p. 12.
  3. Vinogradov, 1952 , p. tizennyolc.
  4. Vinogradov, 1952 , p. 22. cikk (2) bekezdése.
  5. Hardy, G.H.; Wright, EM 193. tétel // Bevezetés a  számelméletbe . — Ötödik. – Oxford, 1979.
  6. Davenport, 1965 , p. 93-95.
  7. M. Hall, A folyamatos törtek összegéről és szorzatáról, Annals of Math. 48 (1947) 966-993.
  8. B. Diviš, A folytonos törtek összegeiről, Acta Arith. 22 (1973) 157-173.
  9. TW Cusick és R. A. Lee, Folytatott törtek készleteinek összegei, Proc. amer. Math. szoc. 30, 241-246 (1971).
  10. Calculations in Algebra and Number Theory, 1976 , H. M. Stark. A Brillhart által talált néhány egzotikus folytonos frakció magyarázata, p. 155-156.
  11. 1 2 P. Shiu. Folyamatos törtek kiszámítása bemeneti értékek nélkül . – 1995.
  12. OEIS szekvencia A003417 : e . _
  13. OEIS sorozat A093178 : folyamatos frakcióbővítés .
  14. OEIS sorozat A001203 : folyamatos frakcióbővítés .
  15. OEIS sorozat A002945 : folyamatos frakcióbővítés .
  16. Valójában a Föld forgásának fokozatos lassulása, és ennek megfelelően az év napjai számának fokozatos csökkenése miatt egy ilyen naptár 4000 év után egy nap tényleges hibát halmozott volna fel.
  17. Shilov G. E. Egyszerű gamma. Zene mérleg eszköz . — Népszerű matematikai előadások . - M. : Fizmatgiz , 1963. - S. 14-15. - 20-as évek.
  18. Bugaenko V. O. Pell - egyenletek _ _ _
  19. A számítási matematika alapjai, 1963 , p. 57.
  20. E. Yu. Szmirnov. Frizek és folytatólagos frakciók . MCNMO (2020. március 17.). Letöltve: 2020. április 17. Az eredetiből archiválva : 2021. április 21.
  21. John Wallis , Arithmetica Infinitorum (Oxford, Anglia: Leon Lichfield, 1656), 182. oldal . Archiválva 2021. április 24-én a Wayback Machine -nél . Brouncker folyamatos törtként fejezte ki a kör területének és a körülírt négyzet területének arányát (azaz 4/ π ). A folytatólagos tört a 182. oldal tetején jelenik meg (nagyjából) a következőképpen: ☐ = 1 1/2 9/2 25/2 49/2 81/2 stb, ahol a négyzet a keresett arányt jelöli. (Megjegyzés: Az előző oldalon Wallis így nevezi Brounkert: "Dom. Guliel. Vicecon, & Barone Brouncher " (Lord William Viscount és Brounker báró).)
  22. Khovansky A. N. Folyamatos törtek alkalmazásai és általánosításai közelítő elemzési kérdésekre (1. és 2. fejezet). - M .: Gostekhizdat, 1956.
  23. A számítási matematika alapjai, 1963 , p. 70-73.
  24. Karpenkov, 2013 .

Irodalom