Saltar ao contido

Fracción continua xeneralizada

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

Na análise complexa, unha rama das matemáticas, unha fracción continua xeneralizada é unha xeneralización das fraccións continuas regulares, na que os numeradores parciais e os denominadores parciais poden asumir valores complexos arbitrarios.

Unha fracción continua xeneralizada é unha expresión da forma

onde an (n > 0) son os numeradores parciais, os bn os denominadores parciais e o termo principal b0 chámase parte enteira da fracción continua.

Os sucesivos converxentes da fracción continua fórmanse aplicando as fórmulas de recorrencia :

con valores iniciais

onde An é o numerador e Bn o denominador, chamados continuantes, [1] [2] do n-ésimo converxente.

Bombelli (1579) ideou unha técnica para aproximar as raíces das ecuacións cadráticas con fraccións continuas a mediados do século XVI. Só 24 anos despois, en 1613, Pietro Cataldi introduciu a primeira notación formal para a fracción continua xeneralizada. [3] Cataldi representou unha fracción continua como

cos puntos que indican onde vai a seguinte fracción e cada & representando un signo máis moderno.

A finais do século XVII John Wallis introduciu o termo "fracción continua" na literatura matemática. [4] Recentemente entraran en escena novas técnicas de análise matemática (o cálculo de Newton e Leibniz), e unha xeración de contemporáneos de Wallis puxeron en uso a novo termo.

En 1748 Euler publicou un teorema que mostra que un tipo particular de fracción continua é equivalente a unha determinada serie infinita moi xeral. [5] A fórmula da fracción continua de Euler aínda é a base de moitas probas modernas de converxencia de fraccións continuas.

En 1761, Johann Heinrich Lambert deu a primeira proba de que π é irracional, usando a seguinte fracción continua para tan x: [6]

As fraccións continuas tamén se poden aplicar a problemas de teoría de números, e son especialmente útiles no estudo das ecuacións diofántianas. A finais do século XVIII Lagrange utilizou as fraccións continuas para construír a solución xeral da ecuación de Pell, respondendo así a unha pregunta que fascinaba aos matemáticos durante máis de mil anos. [7] O descubrimento de Lagrange implica que a expansión de fracción continua regular da raíz cadrada de todo número enteiro non cadrado é periódica e que, se o período é de lonxitude p > 1, contén unha cadea palindrómica de lonxitude p − 1.

En 1813 Gauss derivou a partir de funcións hiperxeométricas de valores complexos o que agora se chama fraccións continuas de Gauss. [8] Pódense usar para expresar moitas funcións elementais e algunhas funcións máis avanzadas (como as funcións de Bessel), como fraccións continuas que converxen rapidamente en case todas partes do plano complexo.

Notación

[editar | editar a fonte]

A expresión de fracción continua longa que aparece na introdución é fácil de interpretar para un lector non familiar coas fraccións continuas. Máis hai notacións máis curtas:

Carl Friedrich Gauss elaborou esta notación:

Aquí a "K" significa Kettenbruch, a palabra alemá para "fracción continua".

Algunhas consideracións elementais

[editar | editar a fonte]

Numeradores e denominadores parciais

[editar | editar a fonte]

Se un dos numeradores parciais an + 1 é cero, a fracción continua infinita

é realmente só unha fracción continua finita con n termos fraccionarios e, polo tanto, unha función racional de a1 a an e b0 a bn + 1.

Fórmula do determinante

[editar | editar a fonte]

Cando o n-ésimo converxente dunha fracción continua

exprésase como unha fracción simple xn = An/Bn podemos usar a fórmula do determinante

 

 

 

 

(1)

para relacionar os numeradores e denominadores de converxentes sucesivos xn e xn − 1 entre sí. A proba disto pódese ver facilmente por indución.

Transformación de equivalencia

[editar | editar a fonte]

Se {ci} = {c1, c2, c3, ...} é calquera sucesión infinita de números complexos distintos de cero podemos demostrar, por indución, que

A transformación de equivalencia é perfectamente xeral, pero dous casos particulares merecen unha mención especial. En primeiro lugar, se ningún dos ai é cero pódese escoller unha secuencia {ci} para que cada numerador parcial sexa 1:

onde c1 = 1/a1, c2 = a1/a2, c3 = a2/a1a3, e en xeral cn + 1 = 1/an + 1cn.

En segundo lugar, se ningún dos denominadores parciais bi é cero, podemos usar un procedemento similar para escoller outra secuencia {di} para que cada denominador parcial sexa un 1:

onde d1 = 1/b1 e tamén dn + 1 = 1/bnbn + 1.

Estes dous casos especiais da transformación de equivalencia son de enorme utilidade cando se analiza o problema xeral de converxencia.

Nocións de converxencia

[editar | editar a fonte]

A fracción continua

converxe se a secuencia de converxentes {xn} tende a un límite finito. Esta noción de converxencia é moi natural. É útil introducir a noción de converxencia xeral dunha fracción continua. En liñas xerais, isto consiste en substituír a parte da fracción posterior a n , por wn, en lugar de por 0, para calcular os converxentes. Os converxentes así obtidos chámanse converxentes modificados. Dicimos que a fracción continua converxe xeneralmente se existe unha secuencia tal que a secuencia de converxentes modificados converxe para todos os suficientemente distinto de . A secuencia chámase entón unha secuencia excepcional para a fracción continua. Vexa o capítulo 2 de Lorentzen & Waadeland (1992) para unha definición rigorosa.

Tamén existe unha noción de converxencia absoluta para fraccións continuas, baseada na noción de converxencia absoluta dunha serie: dise que unha fracción continua é absolutamente converxente cando a serie

onde son os converxentes da fracción continua, converxe absolutamente. [9] O teorema de Śleszyński–Pringsheim proporciona unha condición suficiente para a converxencia absoluta.

Finalmente, unha fracción continua dunha ou máis variables complexas é uniformemente converxente nunha veciñanza aberta Ω cando os seus converxentes converxen uniformemente en Ω; é dicir, cando para cada ε > 0 existe M tal que para todo n > M, para todos ,

Condicións para a irracionalidade

[editar | editar a fonte]

Se a1, a2,... e b1, b2,... son enteiros positivos con akbk para todos os k suficientemente grandes, daquela

converxe a un límite irracional. [10]

Fórmulas fundamentais de recorrencia

[editar | editar a fonte]

Os numeradores e denominadores parciais dos converxentes sucesivos da fracción están relacionados mediante as fórmulas fundamentais de recorrencia :

Os converxentes sucesivos da fracción continua son logo

Estas relacións de recorrencia débense a John Wallis (1616–1703) e Leonhard Euler (1707–1783). [11] Estas relacións de recorrencia son simplemente unha notación diferente para as relacións obtidas por Pietro Antonio Cataldi (1548-1626).

Fórmula de fracción continua de Euler

[editar | editar a fonte]

Euler demostrou a seguinte identidade: [5]

Disto pódense derivar moitos outros resultados, como

e

Funcións e números transcendentais

[editar | editar a fonte]

Aquí temos dúas fraccións continuas que se poden construír mediante a identidade de Euler.

Aquí temos fraccións continuas xeneralizadas adicionais:

Esta último baséase nun algoritmo derivado por Aleksei Nikolaevich Khovansky na década de 1970. [12]

Exemplo: o logaritmo neperiano de 2 (= [0; 1, 2, 3, 1, 5, 2/3, 7, 1/2, 9, 2/5,..., 2k − 1, 2/k,...]

[editar | editar a fonte]

Fórmula de Leibniz para :

converxe demasiado lentamente, requirindo aproximadamente 3 × 10n termos para conseguir n cifras decimais correctas. A serie derivada por Nilakantha Somayaji:

aínda converxe bastante lentamente. Por outra banda:

converxe linearmente a , engadindo polo menos tres díxitos de precisión por catro termos.

Raíces dos números positivos

[editar | editar a fonte]

A raíz n-ésima de calquera número positivo zm pódese expresar reformulando z = xn + y, dando como resultado

que se pode simplificar, dobrando cada par de fraccións nunha fracción, a

A raíz cadrada de z é un caso especial con m = 1 e n = 2:

que se pode simplificar observando que 5/10 = 3/6 = 1/2:

A raíz cadrada tamén se pode expresar mediante unha fracción continua periódica, pero a forma anterior converxe máis rapidamente cos apropiados x e y.

Exemplo 1

[editar | editar a fonte]

A raíz cúbica de dous (2 1/3 ou 3 32 ≈ 1,259921...) pódese calcular de dúas formas:

En primeiro lugar, a "notación estándar" de x = 1, y = 1 e 2zy = 3:

En segundo lugar, unha converxencia rápida con x = 5, y = 3 e 2zy = 253:

Véxase tamén

[editar | editar a fonte]

Outros artigos

[editar | editar a fonte]

Bibliografía

[editar | editar a fonte]
  • Angell, David (2021). Irrationality and Transcendence in Number Theory. Chapman and Hall/CRC. ISBN 9780367628376. 
  • Chrystal, George (1999). Algebra, an Elementary Text-book for the Higher Classes of Secondary Schools and for Colleges: Pt. 1. American Mathematical Society. p. 500. ISBN 0-8218-1649-7. 
  • Lorentzen, Lisa; Waadeland, Haakon (1992). Continued Fractions with Applications. Reading, MA: North Holland. ISBN 978-0-444-89265-2.  (Covers primarily analytic theory and some arithmetic theory.)
  • Perron, Oskar (1977b). Die Lehre von den Kettenbrüchen. Band II: Analytisch-funktionentheoretische Kettenbrüche (3 ed.). Vieweg + Teubner Verlag. ISBN 9783519020226. 
  • Porubský, Štefan (2008). "Basic definitions for continued fractions". Interactive Information Portal for Algorithmic Mathematics. Prague, Czech Republic: Institute of Computer Science of the Czech Academy of Sciences. Consultado o 2 May 2022. 
  • Szekeres, George (1970). "Multidimensional continued fractions". Ann. Univ. Sci. Budapest. Eötvös Sect. Math. 13. pp. 113–140. 
  • Wallis, John (1699). Opera mathematica [Mathematical Works]. 

Ligazóns externas

[editar | editar a fonte]