Непрерывная дробь
Непрерывная дробь (или цепная дробь) — это конечное или бесконечное математическое выражение вида
где есть целое число, а все остальные — натуральные числа (положительные целые). При этом числа называются неполными частными или элементами цепной дроби.
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, 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:
- 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 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, 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.
- . 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
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.
Открытые проблемы
Предпринимались попытки найти закономерности в разложениях в непрерывную дробь кубических иррациональностей, а также других алгебраических чисел степени, большей 2, и трансцендентных чисел. Для некоторых трансцендентных чисел можно найти простую закономерность. Например, основание натурального логарифма представимо в виде
а тангенс угла в 1 радиан — в виде
У числа простой закономерности не видно:
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
.
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) 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.
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:
и других уравнений диофантова анализа
- Определение заведомо трансцендентного числа (см. теорема Лиувилля)
- Алгоритмы факторизации SQUFOF и .
- 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:
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:
При этом
Частный случай, в котором все , называется непрерывной дробью Хирцебруха.
Выше было сказано, что разложение числа в классическую непрерывную дробь не содержит видимой закономерности. Для обобщённой же непрерывной дроби имеет место формула Браункера:
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. Всякий многочлен или дробно-рациональная функция может быть разложена в непрерывную дробь:
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».
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
- Алгоритм Евклида
- Континуанта
- Несократимая дробь
- Разложение Энгеля
- Числа Фибоначчи
Примечания
- Цепная дробь // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1985. — Т. 5. Архивировано 17 ноября 2020 года.
- Арнольд, 2000, с. 12.
- Виноградов, 1952, с. 18.
- Виноградов, 1952, с. 22, пункт 2.
- Hardy, G. H.; Wright, E. M. Theorem 193 // An Introduction to the Theory of Numbers (англ.). — Fifth. — Oxford, 1979.
- Дэвенпорт, 1965, с. 93—95.
- M. Hall, On the sum and product of continued fractions, Annals of Math. 48 (1947) 966—993.
- B. Diviš, On sums of continued fractions, Acta Arith. 22 (1973) 157—173.
- T. W. Cusick and R. A. Lee, Sums of sets of continued fractions, Proc. Amer. Math. Soc. 30 (1971) 241—246.
- Вычисления в алгебре и теории чисел, 1976, Х. М. Старк. Объяснение некоторых экзотических непрерывных дробей, найденных Бриллхартом, с. 155—156.
- P. Shiu. Computation of continued fractions without input values. — 1995. Архивировано 23 ноября 2015 года.
- последовательность A003417 в OEIS: разложение e в непрерывную дробь.
- последовательность A093178 в OEIS: разложение
в непрерывную дробь.
- последовательность A001203 в OEIS: разложение
в непрерывную дробь.
- последовательность A002945 в OEIS: разложение
в непрерывную дробь.
- На самом деле из-за постепенного замедления вращения Земли, и, соответственно, постепенного уменьшения числа суток в году, подобный календарь накопил бы фактическую ошибку в одни сутки уже через 4000 лет.
- Шилов Г. Е. Простая гамма. Устройство музыкальной шкалы. — Популярные лекции по математике. — М.: Физматгиз, 1963. — С. 14—15. — 20 с. Архивировано 22 февраля 2014 года.
- Бугаенко В. О. Уравнения Пелля Архивная копия от 8 июля 2011 на Wayback Machine, М.:МЦНМО, 2001. ISBN 5-900916-96-0.
- Основы вычислительной математики, 1963, с. 57.
- Е. Ю. Смирнов. Фризы и цепные дроби. МЦНМО (17 марта 2020). Дата обращения: 17 апреля 2020. Архивировано 21 апреля 2021 года.
- John Wallis, Arithmetica Infinitorum (Oxford, England: Leon Lichfield, 1656), page 182. Архивная копия от 24 апреля 2021 на Wayback Machine. Brouncker expressed, as a continued fraction, the ratio of the area of a circle to the area of the circumscribed square (i.e., 4/π). The continued fraction appears at the top of page 182 (roughly) as: ☐ = 1 1/2 9/2 25/2 49/2 81/2 &c, where the square denotes the ratio that is sought. (Note: On the preceding page, Wallis names Brouncker as: "Dom. Guliel. Vicecon, & Barone Brouncher" (Lord William Viscount and Baron Brouncker).)
- Хованский А. Н. Приложения цепных дробей и их обобщений к вопросам приближённого анализа (главы 1 и 2). — М.: Гостехиздат, 1956.
- Основы вычислительной математики, 1963, с. 70—73.
- Karpenkov, 2013.
Литература
- Арнольд В. И. Цепные дроби. — М.: МЦНМО, 2000. — Т. 14. — 40 с. — (Библиотека «Математическое просвещение»).
- Бескин Н. М. Цепные дроби // Квант. — 1970. — Т. 1. — С. 16—26,62.
- Бескин Н. М. Бесконечные цепные дроби // Квант. — 1970. — Т. 8. — С. 10—20.
- Боднар Д. И. Ветвящиеся цепные дроби. — Киев: Наука, 1986. — 174 с.
- Бухштаб А. А. Теория чисел. — М.: Просвещение, 1966. — 384 с.
- Виноградов И. М. Основы теории чисел. — М.—Л.: ГИТТЛ, 1952. — 180 с.
- Вычисления в алгебре и теории чисел / Пер. с англ. Э. Г. Белаги, под ред. Б. Б. Венкова и Д. К. Фаддеева. — М.: Мир, 1976. — (Математика. Новое в зарубежной науке).
- Гладковский С. Н. Анализ условно-периодических цепных дробей, ч. 1. — Незлобная, 2009. — 138 с.
- Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. — Изд. 2-е. — М.: Физматлит, 1963. — С. 53—73. — 660 с.
- Депман И. Я. История арифметики. Пособие для учителей. — Изд.второе. — М.: Просвещение, 1965. — С. 253—254.
- Дэвенпорт Г. Высшая арифметика. Введение в теорию чисел. — М.: Наука, 1965.
- Сизый С. В. Лекции по теории чисел. — Екатеринбург: Уральский государственный университет им. А. М. Горького, 1999.
- Скоробогатько В. Я. Теория ветвящихся цепных дробей и её применение в вычислительной математике. — М.: Наука, 1983. — 312 с.
- Хинчин А. Я. Цепные дроби. — М.: ГИФМЛ, 1960.
- Хованский А. Н. Приложение цепных дробей и их обобщений к вопросам приближенного анализа. — М.: Гостехиздат, 1956. — 204 с.
- Brezinski C. History of continued fractions and Padé approximants. NY: Springer, 1980.
- Karpenkov O. Geometry of Continued Fractions. — Springer, 2013. — ISBN 978-3-642-39367-9.
- Lorentzen, Lisa; (1992). Continued fractions with applications (engelsk). North-Holland Elsevier Science Publishers. ISBN 0444892656.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Непрерывная дробь, Что такое Непрерывная дробь? Что означает Непрерывная дробь?
Nepreryvnaya drob ili cepnaya drob eto konechnoe ili beskonechnoe matematicheskoe vyrazhenie vida a0 a1 a2 a3 a0 1a1 1a2 1a3 displaystyle a 0 a 1 a 2 a 3 cdots a 0 cfrac 1 a 1 cfrac 1 a 2 cfrac 1 a 3 ldots gde a0 displaystyle a 0 est celoe chislo a vse ostalnye an displaystyle a n naturalnye chisla polozhitelnye celye Pri etom chisla a0 a1 a2 a3 displaystyle a 0 a 1 a 2 a 3 dots nazyvayutsya nepolnymi chastnymi ili elementami cepnoj drobi Lyuboe veshestvennoe chislo mozhno predstavit v vide cepnoj drobi konechnoj ili beskonechnoj Chislo predstavlyaetsya konechnoj cepnoj drobyu togda i tolko togda kogda ono racionalno Glavnoe no daleko ne edinstvennoe naznachenie nepreryvnyh drobej sostoit v tom chto oni pozvolyayut nahodit horoshie priblizheniya veshestvennyh chisel v vide obychnyh drobej Nepreryvnye drobi shiroko ispolzuyutsya v teorii chisel i vychislitelnoj matematike a ih obobsheniya okazalis chrezvychajno polezny v matematicheskom analize i drugih razdelah matematiki Ispolzuyutsya takzhe v fizike nebesnoj mehanike tehnike i drugih prikladnyh sferah deyatelnosti Razlozhenie v cepnuyu drobLyuboe veshestvennoe chislo x displaystyle x mozhet byt predstavleno konechnoj ili beskonechnoj periodicheskoj ili neperiodicheskoj cepnoj drobyu a0 a1 a2 a3 displaystyle a 0 a 1 a 2 a 3 ldots gde a0 x x0 x a0 displaystyle a 0 lfloor x rfloor quad x 0 x a 0 a1 1x0 x1 1x0 a1 displaystyle a 1 left lfloor frac 1 x 0 right rfloor quad x 1 frac 1 x 0 a 1 displaystyle dots an 1xn 1 xn 1xn 1 an displaystyle a n left lfloor frac 1 x n 1 right rfloor quad x n frac 1 x n 1 a n displaystyle dots gde x displaystyle lfloor x rfloor oboznachaet celuyu chast chisla x displaystyle x Dlya racionalnogo chisla x displaystyle x eto razlozhenie oborvyotsya po dostizhenii nulevogo xn displaystyle x n dlya nekotorogo n displaystyle n V etom sluchae x displaystyle x predstavlyaetsya konechnoj cepnoj drobyu x a0 a1 an displaystyle x a 0 a 1 ldots a n Effektivnym algoritmom dlya preobrazovaniya obychnoj drobi v cepnuyu yavlyaetsya algoritm Evklida Predstavlenie racionalnogo chisla v vide nepreryvnoj drobi neodnoznachno esli privedyonnyj zdes algoritm dayot nepreryvnuyu drob an displaystyle dots a n to nepreryvnaya drob an 1 1 displaystyle dots a n 1 1 sootvetstvuet tomu zhe samomu chislu Dlya irracionalnogo x displaystyle x vse velichiny xn displaystyle x n budut nenulevymi i process razlozheniya mozhno prodolzhat beskonechno V etom sluchae x displaystyle x predstavlyaetsya beskonechnoj cepnoj drobyu x a0 a1 a2 a3 displaystyle x a 0 a 1 a 2 a 3 ldots Esli posledovatelnost a0 a1 a2 a3 displaystyle a 0 a 1 a 2 a 3 ldots sostoit iz beskonechno povtoryayushegosya nabora odnih i teh zhe chisel perioda to cepnaya drob nazyvaetsya periodicheskoj Chislo predstavlyaetsya beskonechnoj periodicheskoj cepnoj drobyu togda i tolko togda kogda ono yavlyaetsya kvadratichnoj irracionalnostyu to est irracionalnym kornem kvadratnogo uravneniya s celymi koefficientami Podhodyashie drobiPodhodyashie drobi dlya zolotogo secheniya n j ennoj podhodyashej drobyu dlya cepnoj drobi x a0 a1 a2 a3 displaystyle x a 0 a 1 a 2 a 3 ldots nazyvaetsya konechnaya cepnaya drob a0 a1 an displaystyle a 0 a 1 ldots a n znachenie kotoroj est nekotoroe racionalnoe chislo pn qn displaystyle p n q n Podhodyashie drobi s chyotnymi nomerami obrazuyut vozrastayushuyu posledovatelnost predel kotoroj raven x displaystyle x Analogichno podhodyashie drobi s nechyotnymi nomerami obrazuyut ubyvayushuyu posledovatelnost predel kotoroj takzhe raven x displaystyle x Takim obrazom znachenie cepnoj drobi vsegda nahoditsya mezhdu znacheniyami sosednih podhodyashih drobej Ejler vyvel rekurrentnye formuly dlya vychisleniya chislitelej i znamenatelej podhodyashih drobej p 1 1 p0 a0 pn anpn 1 pn 2 displaystyle p 1 1 quad p 0 a 0 quad p n a n p n 1 p n 2 q 1 0 q0 1 qn anqn 1 qn 2 displaystyle q 1 0 quad q 0 1 quad q n a n q n 1 q n 2 Takim obrazom velichiny pn displaystyle p n i qn displaystyle q n yavlyayutsya polinomami ot a0 a1 an displaystyle a 0 a 1 dots a n nazyvaemymi kontinuantami pn Kn 1 a0 a1 an displaystyle p n K n 1 a 0 a 1 dots a n qn Kn a1 a2 an displaystyle q n K n a 1 a 2 dots a n Posledovatelnosti kak chislitelej pn displaystyle p n tak i znamenatelej qn displaystyle q n podhodyashih drobej yavlyayutsya strogo vozrastayushimi Chisliteli i znamenateli sosednih podhodyashih drobej svyazany sootnosheniem pnqn 1 qnpn 1 1 n 1 displaystyle p n q n 1 q n p n 1 1 n 1 1 Podhodyashie drobi kak vidno iz etogo sootnosheniya vsegda nesokratimy Perepishem sootnoshenie v vide pnqn pn 1qn 1 1 n 1qn 1qn displaystyle frac p n q n frac p n 1 q n 1 frac 1 n 1 q n 1 q n Otsyuda sleduet chto x pn 1qn 1 lt 1qn 1qn lt 1qn 12 displaystyle left x frac p n 1 q n 1 right lt frac 1 q n 1 q n lt frac 1 q n 1 2 Priblizhenie veshestvennyh chisel racionalnymiCepnye drobi pozvolyayut effektivno nahodit horoshie racionalnye priblizheniya veshestvennyh chisel A imenno esli veshestvennoe chislo x displaystyle x razlozhit v cepnuyu drob to eyo podhodyashie drobi budut udovletvoryat neravenstvu x pnqn lt 1qn2 displaystyle left x frac p n q n right lt frac 1 q n 2 Sledstviya Podhodyashaya drob pn qn displaystyle p n q n yavlyaetsya nailuchshim priblizheniem ishodnogo chisla sredi vseh drobej znamenatel kotoryh ne prevoshodit qn displaystyle q n Mera irracionalnosti lyubogo irracionalnogo chisla ne menshe 2 Primery Razlozhim chislo p 3 14159265 displaystyle pi 3 14159265 dots v nepreryvnuyu drob i podschitaem ego podhodyashie drobi 3 227 333106 355113 10399333102 displaystyle 3 frac 22 7 frac 333 106 frac 355 113 frac 103993 33102 dots Vtoraya podhodyashaya drob 22 7 displaystyle 22 7 eto izvestnoe arhimedovo priblizhenie Chetvyortaya podhodyashaya drob 355 113 displaystyle 355 113 byla vpervye poluchena v Drevnem Kitae Svojstva zolotogo secheniya Nizhe privedeno razlozhenie zolotogo secheniya F 1 1 1 1 displaystyle Phi 1 1 1 1 dots Interesnyj rezultat kotoryj sleduet iz togo chto vyrazhenie nepreryvnoj drobi dlya F displaystyle Phi ne ispolzuet chisel bolshih 1 sostoit v tom chto F displaystyle Phi yavlyaetsya odnim iz samyh ploho priblizhaemyh chisel Tochnee teorema Gurvica utverzhdaet chto lyuboe dejstvitelnoe chislo r displaystyle r mozhet byt priblizheno drobyu m n displaystyle m n tak chto r mn lt 1n25 displaystyle left r frac m n right lt frac 1 n 2 sqrt 5 Hotya prakticheski vse dejstvitelnye chisla r displaystyle r imeyut beskonechno mnogo priblizhenij m n displaystyle m n kotorye nahodyatsya na znachitelno menshem rasstoyanii ot r displaystyle r chem eta verhnyaya granica priblizheniya dlya F displaystyle Phi to est chi sla 5 3 8 5 13 8 21 13 i t d v predele dostigayut etoj granicy uderzhivaya rasstoyanie na pochti tochno 1 n25 displaystyle 1 n 2 sqrt 5 ot F displaystyle Phi tem samym nikogda ne sozdavaya stol horoshie priblizheniya kak k primeru 355 113 dlya p Mozhno pokazat chto etim svojstvom obladaet lyuboe dejstvitelnoe chislo vida a bF c dF displaystyle a b Phi c d Phi gde a b c displaystyle a b c i d displaystyle d yavlyayutsya celymi chislami prichyom ad bc 1 displaystyle ad bc pm 1 a takzhe chto vse ostalnye dejstvitelnye chisla mogut byt priblizheny namnogo luchshe Svojstva i primeryLyuboe racionalnoe chislo mozhet byt predstavleno v vide konechnoj cepnoj drobi dvumya sposobami naprimer 9 4 2 3 1 2 4 displaystyle 9 4 2 3 1 2 4 Teorema Lagranzha Chislo predstavlyaetsya v vide beskonechnoj periodicheskoj cepnoj drobi togda i tolko togda kogda ono yavlyaetsya irracionalnym resheniem kvadratnogo uravneniya s celymi koefficientami Naprimer 2 1 2 2 2 2 displaystyle sqrt 2 1 2 2 2 2 dots 42 6 2 12 2 12 2 12 displaystyle sqrt 42 6 2 12 2 12 2 12 dots zolotoe sechenie F 1 1 1 1 displaystyle Phi 1 1 1 1 dots dd Teorema Gaussa Kuzmina pochti dlya vseh krome mnozhestva mery nul veshestvennyh chisel raspredelenie elementov sootvetstvuyushih im cepnyh drobej podchinyaetsya statistike Gaussa Kuzmina v chastnosti sushestvuet srednee geometricheskoe vseh elementov i ono ravno postoyannoj Hinchina Esli v razlozhenii chisla x displaystyle x v nepreryvnuyu drob nachinaya so vtorogo elementa ne vstrechayutsya chisla bolshie n displaystyle n to govoryat chto chislo x displaystyle x otnositsya k klassu F n displaystyle F n Lyuboe veshestvennoe chislo mozhet byt predstavleno v vide summy dvuh chisel iz klassa F 4 displaystyle F 4 i v vide proizvedeniya dvuh chisel iz klassa F 4 displaystyle F 4 V dalnejshem bylo pokazano chto lyuboe veshestvennoe chislo mozhet byt predstavleno v vide summy tryoh chisel iz klassa F 3 displaystyle F 3 i v vide summy chetyryoh chisel iz klassa F 2 displaystyle F 2 Kolichestvo trebuemyh slagaemyh v etoj teoreme ne mozhet byt umensheno dlya predstavleniya nekotoryh chisel ukazannym obrazom menshego kolichestva slagaemyh nedostatochno Otkrytye problemyPredprinimalis popytki najti zakonomernosti v razlozheniyah v nepreryvnuyu drob kubicheskih irracionalnostej a takzhe drugih algebraicheskih chisel stepeni bolshej 2 i transcendentnyh chisel Dlya nekotoryh transcendentnyh chisel mozhno najti prostuyu zakonomernost Naprimer osnovanie naturalnogo logarifma predstavimo v vide e 2 1 2 1 1 4 1 1 6 1 1 8 1 1 2n 2 1 1 2n displaystyle e 2 1 2 1 1 4 1 1 6 1 1 8 ldots 1 1 2n 2 1 1 2n ldots a tangens ugla v 1 radian v vide tg 1 1 1 1 3 1 5 1 7 1 2n 1 1 2n 3 displaystyle operatorname tg 1 1 1 1 3 1 5 1 7 ldots 1 2n 1 1 2n 3 ldots U chisla p displaystyle pi prostoj zakonomernosti ne vidno p 3 7 15 1 292 1 1 1 2 1 3 1 14 2 1 1 2 2 2 2 1 84 2 1 1 15 displaystyle pi 3 7 15 1 292 1 1 1 2 1 3 1 14 2 1 1 2 2 2 2 1 84 2 1 1 15 dots Odnako dlya obobshyonnoj nepreryvnoj drobi sm nizhe razdel Variacii i obobsheniya proslezhivaetsya yasnaya zakonomernost Neizvestno ogranicheny li sverhu nepolnye chastnye razlozheniya takih chisel kak 23 displaystyle sqrt 3 2 ili p displaystyle pi Prilozheniya cepnyh drobejTeoriya kalendarya Pri razrabotke solnechnogo kalendarya neobhodimo najti racionalnoe priblizhenie dlya chisla dnej v godu kotoroe ravno 365 2421988 Podschitaem podhodyashie drobi dlya drobnoj chasti etogo chisla 14 729 833 31128 132545 displaystyle frac 1 4 frac 7 29 frac 8 33 frac 31 128 frac 132 545 cdots Pervaya drob oznachaet chto raz v 4 goda nado dobavlyat lishnij den etot princip lyog v osnovu yulianskogo kalendarya Pri etom oshibka v 1 den nakaplivaetsya za 128 let Vtoroe znachenie 7 29 nikogda ne ispolzovalos poskolku ono malo otlichaetsya ot sleduyushego gorazdo bolee tochnogo Tretya drob 8 33 to est 8 visokosnyh let za period v 33 goda byla predlozhena Omarom Hajyamom v XI veke i polozhila nachalo persidskomu kalendaryu v kotorom oshibka v den nakaplivaetsya za 4500 let v grigorianskom za 3280 let Ochen tochnyj variant s chetvyortoj drobyu 31 128 oshibka v sutki nakaplivaetsya tolko za 100000 let propagandiroval nemeckij astronom Iogann fon Medler 1864 god odnako bolshogo interesa on ne vyzval Teoriya muzyki V teorii muzyki pri postroenii ravnomerno temperirovannogo stroya trebuyut chtoby interval oktavy 2 1 displaystyle 2 1 delilsya na n displaystyle n ravnyh chastej i pri etom interval iz m displaystyle m takih chastej byl po vozmozhnosti blizok k intervalu kvinty 3 2 displaystyle 3 2 Eti trebovaniya privodyat k zadache otyskaniya racionalnogo priblizheniya dlya log2 1 5 0 585 displaystyle log 2 1 5 approx 0 585 Tretya podhodyashaya drob 3 5 displaystyle 3 5 dayot ravnomerno temperirovannuyu pentatoniku Chetvyortaya podhodyashaya drob 7 12 displaystyle 7 12 privodit k klassicheskomu deleniyu oktavy na 12 ravnyh polutonov Reshenie sravnenij pervoj stepeni Rassmotrim sravnenie ax b modm displaystyle ax equiv b pmod m gde a b displaystyle a b izvestny prichyom mozhno schitat chto a displaystyle a vzaimno prosto s m displaystyle m Nado najti x displaystyle x Razlozhim ma displaystyle frac m a v nepreryvnuyu drob Ona budet konechnoj i poslednyaya podhodyashaya drob pnqn ma displaystyle frac p n q n frac m a Podstavim v formulu 1 mqn 1 apn 1 1 n 1 displaystyle mq n 1 ap n 1 1 n 1 Otsyuda vytekaet apn 1 1 n modm displaystyle ap n 1 equiv 1 n pmod m ili a 1 npn 1 1 modm displaystyle a 1 n p n 1 equiv 1 pmod m Vyvod klass vychetov x 1 npn 1b modm displaystyle x equiv 1 n p n 1 b pmod m yavlyaetsya resheniem ishodnogo sravneniya Drugie prilozheniya Dokazatelstvo irracionalnosti chisel Naprimer s pomoshyu cepnyh drobej byla dokazana irracionalnost znacheniya dzeta funkcii Rimana z 3 displaystyle zeta 3 konstanta Aperi Reshenie v celyh chislah uravneniya Pellya x2 ny2 1 displaystyle x 2 ny 2 1 i drugih uravnenij diofantova analiza Opredelenie zavedomo transcendentnogo chisla sm teorema Liuvillya Algoritmy faktorizacii SQUFOF i Harakteristika ortogonalnyh mnogochlenov Harakteristika ustojchivyh mnogochlenovVariacii i obobsheniyaRyad istochnikov dayut obobshyonnoe opredelenie nepreryvnoj drobi dopuskaya dlya chislitelej v eyo zvenyah ne tolko 1 no i drugie celye v nekotoryh istochnikah dopuskayutsya dazhe kompleksnye chisla a0 a1 a2 a3 a0 b1a1 b2a2 b3a3 displaystyle a 0 a 1 a 2 a 3 dots a 0 cfrac b 1 a 1 cfrac b 2 a 2 cfrac b 3 a 3 ldots Eto obobshenie povyshaet gibkost teorii no imeet dva nedostatka razlozhenie veshestvennogo chisla v nepreryvnuyu drob stanovitsya neodnoznachnym i krome togo sushestvovanie predela podhodyashih drobej uzhe ne garantirovano predel mozhet byt beskonechen ili voobshe otsutstvovat Dlya obobshyonnyh nepreryvnyh drobej formuly Ejlera imeyut vid p 1 1 p0 a0 pn anpn 1 bnpn 2 displaystyle p 1 1 quad p 0 a 0 quad p n a n p n 1 b n p n 2 q 1 0 q0 1 qn anqn 1 bnqn 2 displaystyle q 1 0 quad q 0 1 quad q n a n q n 1 b n q n 2 Pri etom pnqn 1 qnpn 1 1 n 1b1b2 bn displaystyle p n q n 1 q n p n 1 1 n 1 b 1 b 2 dots b n Chastnyj sluchaj v kotorom vse bn 1 displaystyle b n 1 nazyvaetsya nepreryvnoj drobyu Hircebruha Vyshe bylo skazano chto razlozhenie chisla p displaystyle pi v klassicheskuyu nepreryvnuyu drob ne soderzhit vidimoj zakonomernosti Dlya obobshyonnoj zhe nepreryvnoj drobi imeet mesto formula Braunkera p4 11 122 322 522 722 922 displaystyle frac pi 4 cfrac 1 1 cfrac 1 2 2 cfrac 3 2 2 cfrac 5 2 2 cfrac 7 2 2 cfrac 9 2 2 ddots Drugoe napravlenie obobsheniya sostoit v postroenii i primenenii apparata nepreryvnyh drobej ne dlya chisel a dlya mnogochlenov ispolzuetsya tot fakt chto delimost mnogochlenov po svoim svojstvam blizka k delimosti celyh chisel Vsyakij mnogochlen ili drobno racionalnaya funkciya mozhet byt razlozhena v nepreryvnuyu drob b1a1 b2xa2 b3xa3 displaystyle cfrac b 1 a 1 cfrac b 2 x a 2 cfrac b 3 x a 3 ldots Primer poluchim razlozhenie dlya funkcii f x 1 x1 5x 6x2 displaystyle f x frac 1 x 1 5x 6x 2 f x 11 4x1 2x 4 6x displaystyle f x cfrac 1 1 cfrac 4x 1 cfrac 2x 4 6x Mozhno ustanovit sootvetstvie mezhdu nepreryvnymi drobyami i uglami na reshyotkah na ploskosti V svyazi s etim sushestvuyut razlichnye varianty mnogomernyh nepreryvnyh drobej Istoricheskaya spravkaAntichnye matematiki umeli predstavlyat otnosheniya nesoizmerimyh velichin v vide cepochki posledovatelnyh podhodyashih otnoshenij poluchaya etu cepochku s pomoshyu algoritma Evklida Po vidimomu imenno takim putyom Arhimed poluchil priblizhenie 3 1351780 displaystyle sqrt 3 approx frac 1351 780 eto 12 ya podhodyashaya drob dlya 3 displaystyle sqrt 3 ili odna tret ot 4 j podhodyashej drobi dlya 27 displaystyle sqrt 27 Kniga Kataldi V V veke indijskij matematik Ariabhata primenyal analogichnyj metod izmelcheniya dlya resheniya neopredelyonnyh uravnenij pervoj i vtoroj stepeni S pomoshyu etoj zhe tehniki bylo veroyatno polucheno izvestnoe priblizhenie dlya chisla p displaystyle pi 355 113 V XVI veke Rafael Bombelli izvlekal s pomoshyu cepnyh drobej kvadratnye korni sm ego algoritm Nachalo sovremennoj teorii cepnyh drobej polozhil v 1613 godu Petro Antonio Kataldi On otmetil osnovnoe ih svojstvo polozhenie mezhdu podhodyashimi drobyami i vvyol oboznachenie napominayushee sovremennoe Pozdnee ego teoriyu rasshiril Dzhon Vallis kotoryj i predlozhil termin nepreryvnaya drob Ekvivalentnyj termin cepnaya drob poyavilsya v konce XVIII veka Primenyalis eti drobi v pervuyu ochered dlya racionalnogo priblizheniya veshestvennyh chisel naprimer Hristian Gyujgens ispolzoval ih dlya proektirovaniya zubchatyh kolyos svoego planetariya Gyujgens uzhe znal chto podhodyashie drobi vsegda nesokratimy i chto oni predstavlyayut nailuchshee racionalnoe priblizhenie dlya ishodnogo chisla V XVIII veke teoriyu cepnyh drobej v obshih chertah zavershili Leonard Ejler i Zhozef Lui Lagranzh Sm takzheAlgoritm Evklida Kontinuanta Nesokratimaya drob Razlozhenie Engelya Chisla FibonachchiPrimechaniyaCepnaya drob Matematicheskaya enciklopediya v 5 tomah M Sovetskaya Enciklopediya 1985 T 5 Arhivirovano 17 noyabrya 2020 goda Arnold 2000 s 12 Vinogradov 1952 s 18 Vinogradov 1952 s 22 punkt 2 Hardy G H Wright E M Theorem 193 An Introduction to the Theory of Numbers angl Fifth Oxford 1979 Devenport 1965 s 93 95 M Hall On the sum and product of continued fractions Annals of Math 48 1947 966 993 B Divis On sums of continued fractions Acta Arith 22 1973 157 173 T W Cusick and R A Lee Sums of sets of continued fractions Proc Amer Math Soc 30 1971 241 246 Vychisleniya v algebre i teorii chisel 1976 H M Stark Obyasnenie nekotoryh ekzoticheskih nepreryvnyh drobej najdennyh Brillhartom s 155 156 P Shiu Computation of continued fractions without input values 1995 Arhivirovano 23 noyabrya 2015 goda posledovatelnost A003417 v OEIS razlozhenie e v nepreryvnuyu drob posledovatelnost A093178 v OEIS razlozhenie tg1 displaystyle operatorname tg 1 v nepreryvnuyu drob posledovatelnost A001203 v OEIS razlozhenie p displaystyle pi v nepreryvnuyu drob posledovatelnost A002945 v OEIS razlozhenie 23 displaystyle sqrt 3 2 v nepreryvnuyu drob Na samom dele iz za postepennogo zamedleniya vrasheniya Zemli i sootvetstvenno postepennogo umensheniya chisla sutok v godu podobnyj kalendar nakopil by fakticheskuyu oshibku v odni sutki uzhe cherez 4000 let Shilov G E Prostaya gamma Ustrojstvo muzykalnoj shkaly Populyarnye lekcii po matematike M Fizmatgiz 1963 S 14 15 20 s Arhivirovano 22 fevralya 2014 goda Bugaenko V O Uravneniya Pellya Arhivnaya kopiya ot 8 iyulya 2011 na Wayback Machine M MCNMO 2001 ISBN 5 900916 96 0 Osnovy vychislitelnoj matematiki 1963 s 57 E Yu Smirnov Frizy i cepnye drobi neopr MCNMO 17 marta 2020 Data obrasheniya 17 aprelya 2020 Arhivirovano 21 aprelya 2021 goda John Wallis Arithmetica Infinitorum Oxford England Leon Lichfield 1656 page 182 Arhivnaya kopiya ot 24 aprelya 2021 na Wayback Machine Brouncker expressed as a continued fraction the ratio of the area of a circle to the area of the circumscribed square i e 4 p The continued fraction appears at the top of page 182 roughly as 1 1 2 9 2 25 2 49 2 81 2 amp c where the square denotes the ratio that is sought Note On the preceding page Wallis names Brouncker as Dom Guliel Vicecon amp Barone Brouncher Lord William Viscount and Baron Brouncker Hovanskij A N Prilozheniya cepnyh drobej i ih obobshenij k voprosam priblizhyonnogo analiza glavy 1 i 2 M Gostehizdat 1956 Osnovy vychislitelnoj matematiki 1963 s 70 73 Karpenkov 2013 LiteraturaArnold V I Cepnye drobi M MCNMO 2000 T 14 40 s Biblioteka Matematicheskoe prosveshenie Beskin N M Cepnye drobi Kvant 1970 T 1 S 16 26 62 Beskin N M Beskonechnye cepnye drobi Kvant 1970 T 8 S 10 20 Bodnar D I Vetvyashiesya cepnye drobi Kiev Nauka 1986 174 s Buhshtab A A Teoriya chisel M Prosveshenie 1966 384 s Vinogradov I M Osnovy teorii chisel M L GITTL 1952 180 s Vychisleniya v algebre i teorii chisel Per s angl E G Belagi pod red B B Venkova i D K Faddeeva M Mir 1976 Matematika Novoe v zarubezhnoj nauke Gladkovskij S N Analiz uslovno periodicheskih cepnyh drobej ch 1 Nezlobnaya 2009 138 s Demidovich B P Maron I A Osnovy vychislitelnoj matematiki Izd 2 e M Fizmatlit 1963 S 53 73 660 s Depman I Ya Istoriya arifmetiki Posobie dlya uchitelej Izd vtoroe M Prosveshenie 1965 S 253 254 Devenport G Vysshaya arifmetika Vvedenie v teoriyu chisel M Nauka 1965 Sizyj S V Lekcii po teorii chisel Ekaterinburg Uralskij gosudarstvennyj universitet im A M Gorkogo 1999 Skorobogatko V Ya Teoriya vetvyashihsya cepnyh drobej i eyo primenenie v vychislitelnoj matematike M Nauka 1983 312 s Hinchin A Ya Cepnye drobi M GIFML 1960 Hovanskij A N Prilozhenie cepnyh drobej i ih obobshenij k voprosam priblizhennogo analiza M Gostehizdat 1956 204 s Brezinski C History of continued fractions and Pade approximants NY Springer 1980 Karpenkov O Geometry of Continued Fractions Springer 2013 ISBN 978 3 642 39367 9 Lorentzen Lisa 1992 Continued fractions with applications engelsk North Holland Elsevier Science Publishers ISBN 0444892656
