Jatkuva murtoluku (tai jatkuva murtoluku ) on muodon äärellinen tai ääretön matemaattinen lauseke
missä on kokonaisluku , ja kaikki loput ovat luonnollisia lukuja (positiivisia kokonaislukuja) [1] . Tässä tapauksessa lukuja kutsutaan epätäydellisiksi osamääräiksi tai jatketun murtoluvun alkioihin [2] .
Mikä tahansa reaaliluku voidaan esittää jatkuvana murtolukuna (äärellisenä tai äärettömänä). Luku esitetään äärellisenä jatkuvana murtolukuna silloin ja vain, jos se on rationaalinen .
Jatkuvien murtolukujen pääasiallinen (mutta ei suinkaan ainoa) tarkoitus on, että niiden avulla voit löytää hyviä likimääräisiä reaalilukuja tavallisten murtolukujen muodossa. Jatkuvia murtolukuja käytetään laajalti lukuteoriassa ja laskennallisessa matematiikassa , ja niiden yleistykset ovat osoittautuneet erittäin hyödyllisiksi laskennassa ja muilla matematiikan aloilla. Niitä käytetään myös fysiikassa, taivaanmekaniikassa , tekniikassa ja muilla soveltavilla aloilla.
Mikä tahansa reaaliluku voidaan esittää (ääreisellä tai äärettömällä, jaksollisella tai ei-jaksollisella) jatkuvalla murtoluvulla , jossa
jossa tarkoittaa luvun kokonaislukuosaa .
Rationaalisen luvun osalta tämä laajennus päättyy, kun se saavuttaa nollan joidenkin . Tässä tapauksessa sitä edustaa äärellinen jatkuva murto-osa . Tehokas algoritmi yhteisen murtoluvun muuntamiseksi jatkuvaksi murtoluvuksi on Euklidesin algoritmi . Rationaaliluvun jatketun murto-osan esitys on epäselvä: jos tässä annettu algoritmi tuottaa jatketun murto -osan , niin jatkuva murto-osa vastaa samaa lukua.
Irrationaalisille kaikki suuret ovat nollia poikkeavia ja laajennusprosessia voidaan jatkaa loputtomiin. Tässä tapauksessa sitä edustaa ääretön jatkuva murto-osa . Jos sarja koostuu äärettömästi toistuvasta samojen lukujen joukosta (jakso), niin jatkuvaa murto-osaa kutsutaan jaksolliseksi. Lukua edustaa ääretön jaksollinen jatkuva murto-osa, jos ja vain, jos se on neliöllinen irrationaalisuus , toisin sanoen irrationaalinen juuri neliöyhtälästä , jossa on kokonaislukukertoimia.
Jatketulle murtoluvulle sopivaa n:nnettä (n:nnettä) murto -osaa kutsutaan äärelliseksi jatkuvaksi murtoluvuksi , jonka arvo on jokin rationaalinen luku . Sopivat parilliset murtoluvut muodostavat kasvavan sekvenssin, jonka raja on . Samoin parittomat konvergentit muodostavat laskevan sekvenssin, jonka raja on myös yhtä suuri kuin . Näin ollen jatkuvan murto-osan arvo on aina naapurikonvergenttien arvojen välissä.
Eulerin johdetut rekursiiviset kaavat konvergenttien osoittajien ja nimittäjien laskemiseen:
Siten suuret ja ovat polynomeja , joita kutsutaan jatkujoiksi :
Konvergenttien osoittajien ja nimittäjien sekvenssit kasvavat jyrkästi.
Naapurikonvergenttien osoittajat ja nimittäjät liittyvät relaatioon
(yksi) |
Sopivat murtoluvut, kuten tästä suhteesta voidaan nähdä, ovat aina redusoitumattomia . Kirjoitetaan relaatio uudelleen muotoon
Tästä seuraa [3]
Jatkuvien murtolukujen avulla voit löytää tehokkaasti reaalilukujen hyviä rationaalisia approksimaatioita. Nimittäin jos reaaliluku laajennetaan jatkuvaksi murtoluvuksi, niin sen konvergentit tyydyttävät epätasa-arvon
Seuraukset [4] :
Laajenna luku jatkuvaksi murtoluvuksi ja lasketaan sen konvergentit:
Toinen konvergentti on hyvin tunnettu Arkhimedeen approksimaatio. Neljäs sopiva fraktio saatiin ensimmäisen kerran muinaisessa Kiinassa .
Seuraava on kultaisen leikkauksen jaottelu :
Mielenkiintoinen tulos, joka seuraa siitä tosiasiasta, että jatkuva murto-lauseke for ei käytä lukuja suurempia kuin 1, on, että se on yksi "huonosti" approksimaatioluvuista . Tarkemmin sanottuna Hurwitzin lause [5] sanoo, että mikä tahansa reaaliluku voidaan approksimoida murtoluvulla siten, että
Vaikka käytännöllisesti katsoen kaikilla reaaliluvuilla on äärettömän monta likiarvoa , jotka ovat paljon pienempiä kuin tämä yläraja, likiarvot (eli luvut 5/3, 8/5, 13/8, 21/13 jne.) rajassa ovat saavuttaa tämä raja [6] , pitäen etäisyyden lähes tarkalleen pisteestä , jolloin ei koskaan saada niin hyviä approksimaatioita kuin esimerkiksi 355/113 arvolle π. Voidaan osoittaa, että millä tahansa muodon reaaliluvulla on tämä ominaisuus , jossa ja ovat kokonaislukuja, ja ; ja myös, että kaikki muut reaaliluvut voidaan approksimoida paljon paremmin.
On yritetty löytää malleja kuutioirrationaalisuuden jatkuvassa murto-osan laajennuksessa [10] , samoin kuin muissa algebrallisissa numeroissa, joiden aste on suurempi kuin 2, ja transsendentaalisten lukujen [11] . Joillekin transsendentaalisille luvuille löytyy yksinkertainen malli. Esimerkiksi luonnollisen logaritmin kanta voidaan esittää muodossa [12]
ja 1 radiaanin kulman tangentti on muodossa [13]
Yksinkertaisen kuvion numero ei näy [14] :
Yleistetylle jatkuvalle murtoluvulle (katso Muunnelmat ja yleistykset alla ) voidaan kuitenkin jäljittää selkeä kuvio.
Ei tiedetä , onko epätäydellisiä lukujen osittaisia laajennuksia, kuten tai [11] [15] , rajoitettu ylhäältä .
Aurinkokalenteria kehitettäessä on löydettävä rationaalinen likiarvo vuoden päivien lukumäärälle , joka on 365,2421988 ... Lasketaan sopivat murto-osat tämän luvun murto-osalle:
Ensimmäinen murto-osa tarkoittaa, että joka 4. vuosi sinun on lisättävä ylimääräinen päivä; tämä periaate muodosti Julianuksen kalenterin perustan . Tässä tapauksessa 1 päivän virhe kertyy 128 vuoden aikana. Toista arvoa (7/29) ei koskaan käytetty, koska se eroaa vähän seuraavasta, joka on paljon tarkempi. Kolmannen murto-osan (8/33), eli 8 karkausvuotta 33 vuoden ajanjaksolla, ehdotti Omar Khayyam 1000-luvulla ja loi perustan persialaiselle kalenterille , jossa vuorokausivirhe kerääntyy 4500 vuoden ajalle. ( gregoriaanisella kielellä - yli 3280 vuotta). Saksalainen tähtitieteilijä Johann von Medler (1864) mainosti erittäin tarkkaa versiota neljännellä murto-osalla (31/128, virhe per päivä kertyy vain 100 000 vuodeksi [16] ) , mutta hän ei herättänyt suurta kiinnostusta.
Musiikkiteoriassa yhtenäistä temperamenttijärjestelmää rakennettaessa vaaditaan, että oktaaviväli jaetaan yhtä suuriin osiin, ja samalla tällaisten osien intervallin tulee olla mahdollisimman lähellä viidettä intervallia . Nämä vaatimukset johtavat ongelmaan löytää rationaalinen approksimaatio arvolle . Kolmas sopiva fraktio antaa tasatemperatun pentatonisen asteikon . Neljäs konvergentti johtaa oktaavin klassiseen jakoon 12 yhtä suureen puolisäveleen [17] .
Harkitse vertailua : , missä tunnetaan, ja voimme olettaa, että se on koprime kanssa . Pitää löytää .
Laajennetaan se jatkuvaksi murto-osaksi. Se on lopullinen ja viimeinen sopiva murto . Korvaa kaavaan (1):
Tästä seuraa:
tai
Johtopäätös: Jäännösluokka on ratkaisu alkuperäiseen vertailuun.
Useat lähteet antavat yleisen määritelmän jatkuvalle murtoluvulle sallien osoittajien käyttämisen linkeissään 1:n lisäksi myös muita kokonaislukuja (joissakin lähteissä monimutkaisetkin ovat sallittuja ) [1] :
Tämä yleistys lisää teorian joustavuutta, mutta siinä on kaksi haittapuolta: reaaliluvun laajentaminen jatkuvaksi murtoluvuksi muuttuu epäselväksi ja lisäksi konvergenttien rajan olemassaolo ei ole enää taattua - raja voi olla ääretön tai jopa poissa.
Yleistetyille jatkuville murtoluvuille Euler-kaavat ovat muotoa [19] :
Jossa
Erikoistapaus, jossa kaikkea kutsutaan Hirzebruchin jatkeeksi [ 20] .
Yllä sanottiin, että luvun laajentaminen klassiseksi jatkuvaksi murtoluvuksi ei sisällä näkyvää kuviota. Yleistetylle jatkuvalle murto- osalle Braunkerin kaava [21] tapahtuu :
Toinen yleistyksen suunta on jatkuvien murtolukujen laitteiston rakentaminen ja soveltaminen ei luvuille, vaan polynomeille - käytetään tosiasiaa, että polynomien jaollisuus sen ominaisuuksissa on lähellä kokonaislukujen jaollisuutta [22] . Mikä tahansa polynomi tai murto-rationaalinen funktio voidaan laajentaa jatkuvaksi murtoluvuksi [23] :
Esimerkki: hanki funktion hajotus :
Voit luoda vastaavuuden jatkuvien murtolukujen ja kulmien välille tasossa olevissa hilassa . Tässä suhteessa on olemassa useita muunnelmia "moniulotteisista jatkuvista fraktioista" [24] .
Muinaiset matemaatikot pystyivät esittämään suhteettoman suurien suhteita peräkkäisten sopivien suhdelukujen ketjun muodossa saaden tämän ketjun käyttämällä Euklidin algoritmia . Ilmeisesti tällä tavalla Arkhimedes sai likiarvon - tämä on 12. sopiva murto-osa tai kolmasosa 4. sopivasta murto-osasta .
Intialainen matemaatikko Aryabhata käytti 500-luvulla samanlaista "jalostusmenetelmää" määrittämättömien ensimmäisen ja toisen asteen yhtälöiden ratkaisemiseen. Saman tekniikan avulla on luultavasti saatu luvun hyvin tunnettu approksimaatio (355/113). 1500 -luvulla Rafael Bombelli loi neliöjuuret käyttämällä jatkuvia murtolukuja (katso hänen algoritminsa ).
Pietro Antonio Cataldi loi modernin jatkuvan jakeen teorian alun vuonna 1613 . Hän pani merkille niiden pääominaisuuden (sijainti sopivien murtolukujen välillä) ja otti käyttöön nykyaikaista merkintää muistuttavan nimityksen. Myöhemmin hänen teoriaansa laajensi John Vallis , joka ehdotti termiä "jatkuva murto" . Vastaava termi " jatkuva laukaus " ilmestyi 1700-luvun lopulla.
Näitä murtolukuja käytettiin ensisijaisesti reaalilukujen rationaaliseen approksimaatioon; esimerkiksi Christian Huygens käytti niitä suunnitellakseen vaihteet planetaarioonsa . Huygens tiesi jo, että konvergentit ovat aina redusoitumattomia ja että ne edustavat parasta rationaalista approksimaatiota alkuperäiseen numeroon.
1700-luvulla jatkuvien murtolukujen teorian täydensivät yleisesti Leonhard Euler ja Joseph Louis Lagrange .
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|