Непрерывные дроби

Размещено на http://allbest.ru

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУК КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования Томь-Усинский энерготранспортный техникум

Доклад

по дисциплине Математика

Непрерывные дроби

Выполнил:

студент группы ТРУК-1-14

Жулева Дарья

Проверил:

преподаватель математики

Кемерова С.И.

Содержание

Введение

1. История цепных дробей

2. Разложение в непрерывную дробь

3. Приближение вещественных чисел к рациональным

4. Приложения цепных дробей

5. Свойства золотого сечения

Список литературы

Введение

Цепная дробь (или непрерывная дробь) -- это математическое выражение вида

где a0 есть целое число и все остальные an натуральные числа (положительные целые). Любое вещественное число можно представить в виде цепной дроби (конечной или бесконечной). Число представляется конечной цепной дробью тогда и только тогда, когда оно рационально. Число представляется периодической цепной дробью тогда и только тогда, когда оно является квадратичной иррациональностью.

1. История цепных дробей

Цепные дроби были введены в 1572 году итальянским математиком Бомбелли. Современное обозначение непрерывных дробей встречается у итальянского математика Катальди в 1613 году. Величайший математик XVIII века Леонардо Эйлер первый изложил теорию цепных дробей, поставил вопрос об их использовании для решения дифференциальных уравнений, применил их к разложению функций, представлению бесконечных произведений, дал важное их обобщение.

Работы Эйлера по теории цепных дробей были продолжены М. Софроновым (1729-1760), академиком В.М. Висковатым (1779-1819), Д. Бернулли (1700-1782) и др. Многие важные результаты этой теории принадлежат французскому математику Лагранжу, который нашел метод приближенного решения с помощью цепных дробей дифференциальных уравнений.

Алгоритм Евклида дает возможность найти представление (или разложение) любого рационального числа в виде цепной дроби. В качестве элементов цепной дроби получаются неполные частные последовательных делений в системе равенств, поэтому элементы цепной дроби называются также неполными частными. Кроме того, равенства системы показывают, что процесс разложения в цепную дробь состоит в последовательном выделении целой части и перевертывании дробной части.

2. Разложение в непрерывную дробь

Последняя точка зрения является более общей по сравнению с первой, так как она применима к разложению в непрерывную дробь не только рационального, но и любого действительного числа.

Разложение рационального числа имеет, очевидно, конечное число элементов, так как алгоритм Евклида последовательного деления a на b является конечным.

Понятно, что каждая цепная дробь представляет определенное рациональное число, то есть равна определенному рациональному числу. Но возникает вопрос, не имеются ли различные представления одного и того же рационального числа цепной дробью? Оказывается, что не имеются, если потребовать, чтобы было.

Непрерывные дроби - последовательность, каждый член которой является обычной дробью, порождает непрерывную (или цепную) дробь, если ее второй член прибавить к первому, а каждую дробь, начиная с третьей, прибавить к знаменателю предыдущей дроби.

Любое вещественное число может быть представлено (конечной или бесконечной, периодической или непериодической) цепной дробью

где обозначает целую часть числа .

Для рационального числа это разложение оборвётся по достижении нулевого для некоторого n. В этом случае представляется конечной цепной дробью .

Для иррационального все величины будут ненулевыми и процесс разложения можно продолжать бесконечно. В этом случае представляется бесконечной цепной дробью .

Для рациональных чисел может быть использован алгоритм Евклида для быстрого получения разложения в цепную дробь.

3. Приближение вещественных чисел к рациональным

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

Отсюда, в частности, следует:

· подходящая дробь является наилучшим приближением для среди всех дробей, знаменатель которых не превосходит ;

· мера иррациональности любого иррационального числа не меньше 2.

4. 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. 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), однако большого интереса он не вызвал.

Другие приложения

· Доказательство иррациональности чисел. Например, с помощью цепных дробей была доказана иррациональность значения дзета-функции Римана

· Решение в целых числах уравнения Пелля

и других уравнений диофантова анализа

· Определение заведомо трансцендентного числа (см. теорема Лиувилля)

· Алгоритмы факторизации SQUFOF и CFRAC

· Характеристика ортогональных многочленов

· Характеристика устойчивых многочленов

5. Свойства золотого сечения

Интересный результат, который следует из того, что выражение непрерывной дроби для ц не использует целых чисел, больших 1, состоит в том, что ц является одним из самых «трудных» действительных чисел для приближения с помощью рациональных чисел.

Теорема Гурвица утверждает, что любое действительное число k может быть приближено дробью m/n так, что

Хотя практически все действительные числа k имеют бесконечно много приближений m/n, которые находятся на значительно меньшем расстоянии от k, чем эта верхняя граница, приближения для ц (то есть числа 5/3, 8/5, 13/8, 21/13 и т. д.) в пределе достигают этой границы, удерживая расстояние на почти точно от ц, тем самым никогда не создавая столь хорошие приближения как, к примеру, 355/113 для р. Может быть показано, что любое действительное число вида (a + bц)/(c + dц), a,b, c и d являются целыми числами, причём

ad ? bc = ±1,

обладают тем же свойством, как и золотое сечение ц; а также, что все остальные действительные числа могут быть приближены намного лучше.

дробь математический число уравнение

Список литературы

1. В.И. Арнольд. Цепные дроби. -- М.: МЦНМО, 2000. -- Т. 14. -- 40 с. -- (Библиотека «Математическое просвещение»).

2. Н.М. Бескин Цепные дроби // Квант. -- 1970. -- Т. 1. -- С. 16--26,62.

3. Н.М. Бескин Бесконечные цепные дроби // Квант. -- 1970. -- Т. 8. -- С. 10--20.

4. Д.И. Боднар Ветвящиеся цепные дроби. -- К.: Наука, 1986. -- 174 с.

5. А.А. Бухштаб. Теория чисел. -- М.: Просвещение, 1966. -- 384 с.

6. И.М. Виноградов. Основы теории чисел. -- М.-Л.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1952. -- 180 с.

7. С.Н. Гладковский. Анализ условно-периодических цепных дробей, ч. 1. -- Незлобная, 2009. -- 138 с.

8. И.Я. Депман. История арифметики. Пособие для учителей. -- Изд. второе. -- М.: Просвещение, 1965. -- С. 253--254.

9. Г. Дэвенпорт. Высшая Арифметика. -- М.: Наука, 1965.

10. С.В. Сизый. Лекции по теории чисел. -- Екатеринбург: Уральский государственный университет им. А. М. Горького, 1999.

11. В. Скоробогатько. Теория ветвящихся цепных дробей и ее применение в вычислительной математике. -- М.: Наука, 1983. -- 312 с.

12. А.Я. Хинчин. Цепные дроби. -- М.: ГИФМЛ, 1960.

Размещено на Allbest.ru