网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

从欧几里得算法到连分数,把握数学的精髓,理解数字的奥秘

0
分享至



算术的基本定理是人们在很远的古代就已经知道的。通常的证明是依靠所谓欧几里得算法(The Euclidean Algorithm)来构造出两个正整数m和n的最大公因数(以下简记为hcd),设为h。欧几里得算法在做这件事情的时候是证明了h可以写成am+bn的形式,这里a,b是一对整数(不一定为正整数,甚至可以为0)。例如,17和7的hcd是1,我们可以把1写成1=5×17-12×7。

欧几里得算法是这样执行的,设m>n,先用n去除m,得出商为q1而余数为r1,所以



  • 方程式(1)

现在0≤r1



  • 方程式(2)

可以这样做下去:用r2去除r1,用r3去除r2等等,余数每一次都会变小,但是因为它不会是负数,所以到了某一步余数就会变成0,就是除尽了。例如,如果m=165,n=70,这个算法就会给出一系列除法如下:



这个过程保证了最后一个非零的余数就是m和n的hcd。现在它等于5。其理由如下:一方面,式20=4*5+0说明了5是前一个余数20的因数,再往上看式25=1*20+5,又说明5也是25的因数,因为25是表示为20和5的组合。这样一直往上看,这个算法告诉我们5同时是m=165和n=70的因数,所以5是它们的公因数。

另一方面,25=1*20+5说明5可以写成25和20的组合,而且系数是整数。再往上看70=2*25+20,20又可以写成70和25的组合,所以5也可以写成70和25的组合



仿此倒推这个算法,可以把5用165和70表示为



这就说明5是165和70的最大公因数,因为由上式可知165和70的任意的公因数都必然是3×165-7×70的因数,即5的因数。沿着这样的道路,我们已经证明了最大公因数一定可以用两个原来的数m和n来表示

用连分数表示数

在欧几里得以后的1500年间,伊斯兰和印度学派的数学家们认识到,欧几里得算法对于一对整数m和n的执行过程可以用m/n的一个公式来记。方程式(1)可以写为



这里F=n/r1。现在(2)式又把F写成



再往下一步就会给出r1/r2的一个表达式,把它表示为一个整数(就是商)和一个真分数(后一个余数与前一个余数之比)的和。仿此以往,如果这个算法在第k步停了下来,我们就把这些表达式放在一起,得到m/n的连分数表达式:



例如



连分数也可以直接从分数165/70=2.35714…做出来,而不必用到两个整数165和70。实际上,取这个数的整数部分2,这就是前面的q1,再把余下的小数部分取,其倒数1/0.35714…= 2.8,又取其整数部分2,就得到前面的q2。余下的0.8倒数为1.25,所以q3=1。最后1/0.25=4,所以q4=4。至此,余数为0,而运算停止。

17世纪的数学家沃利斯(John Wallis)似乎是第一个给出了连分数的系统讨论的数学家,而且似乎是第一个认识到,不仅是有理数,而且是所有实数都有连分数展开式存在的人,只要我们承认连分数可以有无限多层。如果从任意正数开始,都可以像对付比值2.35714….一样地构造出连分数来。

例如对于数π= 3.14159265…,先取3,再把余下的部分取倒数:1/0.14159…=7.06251….这样对于π第二个商是7。继续这样做下去,就得到连分数



  • 方程式(3)

出现在分数里的3,7,15等就叫做π的部分商。

实数的连分数表达式可以用来求此实数的有理数近似,如果把这个连分数在有限步以后就截断,就会得到一个有限的连分数。它是一个有理数。例如,把(3)式在第一层就截断,就会得到我们熟知的π的近似值:



在第二层截断又会得到π的另一个近似值:3+1/(7+1/15)=333/106。在不同的层截断就会得出一个有理逼近序列,它的前一部分是



不论从哪一个正实数x开始,它的连分数逼近的序列当沿连分数的各层向下走的时候都将趋近x。事实上,等式(3)的形式解释就是说,它的不同层面的截断会趋近π。

很自然地,想要得到数x的更好的近似,就应该用“更复杂”的分数——就是具有更大的分子和分母的分数。x的连分数逼近在下面的意义上是最好的逼近:若p/q是这个连分数的一个截断,则不可能找到分母小于q的分数r/s与x更加接近。

进一步说,如果p/q是来自连分数的对x的逼近,则



相对于分母q不能太大。具体说来,恒有



这个误差估计说明了连分数近似是多么特别,如果想也不想地取一个分母q,然后又想也不想地取一个分子p并且希望用p/q去逼近x,那么只能保证x位于



  • 式(4)

之间,所以误差可能达到1/2q,而当q很大时,这可比1/q^2大多了。

有时,x的连分数近似的误差比(4)式所保证的还要小,即如通过对(3)式作截断所得到的近似π≈335/113就特别精确。原因在于下一个部分商292很大,所以略去尾巴



并不会造成大的改变。在这个意义下,最难用连分数去逼近的数是部分商最小的数也就是所有部分商都等于1的数。这个数



  • 式(5)

很容易计算,因为其部分商序列是周期的。若记此数为Φ,则



而它的倒数就是(5)式的连分数Φ。所以



也就是



这个二次方程式的两个根是(1+√5)/2 = 1.518…和(1-√5)/2=-0.618….因为我们想要找的数φ是正的,所以它就是第一个根,就是常说的黄金比。

很容易看到,正如(5)表示的是正根,其他的周期连分数也表示某个二次方程式的根。这件事,似乎在16世纪就已为人所理解了。但是要想证明其逆可就难多了,任意二次根的连分数必为周期的。直到18世纪拉格朗日才证明了它,而这与二次数域有单位元存在有密切的关系。

用连分数表示函数

数学最重要的函数中有几个用无穷和来表示最为容易。例如,指数函数就有以下的无穷级数表示:



但是也有几个有简单的连分数表示,就是用含有变量如x的连分数来表示,从历史上来说,这些可能是最重要的连分数。

例如,函数tanx就有以下的连分数表示:



它对除了π/2的奇数倍以外的x都适用,在这些点处正切函数有垂直的渐近线。

一个函数的无穷级数表示可以提供这个函数的多项式逼近,而连分数在截断后则提供了这个函数的有理函数逼近。例如,如果把正切函数的连分数表示在第一层截断,就会得到以下近似



这个连分数表示以及它在截断以后逼近tanx的速度在证明为无理上起着中心的作用。这个证明是由兰伯特 (Johann HeinrichLambert)在 1760年代给出的。他用连分数证明了若x是除0以外的有理数,则 tanx不是。但是 tanπ/4=1肯定是有理数,所以π/4不可能是有理数。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
金融圈突发!吴世群,主动投案

金融圈突发!吴世群,主动投案

中国基金报
2026-11-12 22:37:02
男子花30万闪婚22天后新娘就跑了,案件一审宣判:女子犯诈骗罪获刑3年6个月,当庭表示上诉

男子花30万闪婚22天后新娘就跑了,案件一审宣判:女子犯诈骗罪获刑3年6个月,当庭表示上诉

极目新闻
2026-11-12 17:59:09
高,实在是高!曹云金何沄伟疑回应郭德纲拜马志明当“义父”,搭配东北风味歌曲《做人别忘本》

高,实在是高!曹云金何沄伟疑回应郭德纲拜马志明当“义父”,搭配东北风味歌曲《做人别忘本》

裕丰娱间说
2026-11-12 17:17:07
亲人病危,男子打顺风车从上海回江苏,距目的地20公里时被甩;投诉后司机发短信嘲讽“是没送到你家坟头吗”,平台:永久封禁

亲人病危,男子打顺风车从上海回江苏,距目的地20公里时被甩;投诉后司机发短信嘲讽“是没送到你家坟头吗”,平台:永久封禁

极目新闻
2026-11-12 08:15:18
重磅!曼联已解雇45岁卡里克+正式通知 转正仅5个月 带队8轮不胜

重磅!曼联已解雇45岁卡里克+正式通知 转正仅5个月 带队8轮不胜

我爱英超
2026-11-12 17:53:19
全球最大资产管理集团贝莱德:坐拥15.5万亿美元只有1%投向了中国市场!

全球最大资产管理集团贝莱德:坐拥15.5万亿美元只有1%投向了中国市场!

城事堂
2026-11-12 15:12:38
外媒称黄乐目前正在北京,外交部发言人公开表示:不了解你提到的有关情况,但是中方在美国输华芯片问题上的立场是一贯的

外媒称黄乐目前正在北京,外交部发言人公开表示:不了解你提到的有关情况,但是中方在美国输华芯片问题上的立场是一贯的

吉刻新闻
2026-11-12 21:24:28
西北工业大学购买了两颗英伟达H200芯片,外媒却急了,他们在担心什么?

西北工业大学购买了两颗英伟达H200芯片,外媒却急了,他们在担心什么?

DeepAuto车探
2026-11-12 17:38:24
俄首席谈判代表:俄方拒绝任何领土交换,俄军踏足之处皆属俄罗斯

俄首席谈判代表:俄方拒绝任何领土交换,俄军踏足之处皆属俄罗斯

碳基生物关怀组织
2026-11-12 16:07:33
1979年,中央下令抓捕许世友次子许建军!许世友闻讯罕见震怒强硬表态

1979年,中央下令抓捕许世友次子许建军!许世友闻讯罕见震怒强硬表态

磊子讲史
2026-11-11 14:13:19
网友爆料近六千元的耳机线“扒开是棉布”?汉声经销商回应

网友爆料近六千元的耳机线“扒开是棉布”?汉声经销商回应

北青网-北京青年报
2026-11-12 21:26:04
独家!黄乐老公已被抓,黄仁勋岌岌可危

独家!黄乐老公已被抓,黄仁勋岌岌可危

木蹊说
2026-11-12 18:29:38
黄仁勋还有反击筹码:3.58%持股达到英伟达董事提名门槛

黄仁勋还有反击筹码:3.58%持股达到英伟达董事提名门槛

爆角追踪
2026-11-12 13:42:49
"妲己"终入霍家门!43岁中国香港足总主席霍启山,将迎娶29岁女星

"妲己"终入霍家门!43岁中国香港足总主席霍启山,将迎娶29岁女星

秋姐居
2026-11-12 11:50:56
今早腾讯内网被挤崩,有人发帖“听完会后饭都吃不下了,好焦虑……”腾讯高管紧急回应:误会了

今早腾讯内网被挤崩,有人发帖“听完会后饭都吃不下了,好焦虑……”腾讯高管紧急回应:误会了

都市快报橙柿互动
2026-11-12 14:12:40
比亚迪"轮毂装反"上热搜,大众工厂:7道环节皆失守,难!

比亚迪"轮毂装反"上热搜,大众工厂:7道环节皆失守,难!

大厂财经社
2026-11-12 18:14:54
争议?卡里克下课4小时仍无曼联球员回应+送祝福!名记怒批:没担当

争议?卡里克下课4小时仍无曼联球员回应+送祝福!名记怒批:没担当

我爱英超
2026-11-12 23:01:35
伊朗总统佩泽希齐扬确认了:伊朗最高领袖穆杰塔巴·哈梅内伊已经作出明确指示,要求伊朗结束目前与美国不战不和的状态

伊朗总统佩泽希齐扬确认了:伊朗最高领袖穆杰塔巴·哈梅内伊已经作出明确指示,要求伊朗结束目前与美国不战不和的状态

吉刻新闻
2026-11-11 02:07:46
彻底乱了!疑似黄仁勋第 3 段外遇主动公开,第4、第5看来也不远了

彻底乱了!疑似黄仁勋第 3 段外遇主动公开,第4、第5看来也不远了

起点人文
2026-11-12 17:13:23
勾引马斯克挺难的,正如他前妻所言:14个孩子的母亲都被他称为“生育机器”

勾引马斯克挺难的,正如他前妻所言:14个孩子的母亲都被他称为“生育机器”

照见古今
2026-11-12 14:48:00
2026-11-13 04:52:49
老胡说科学 incentive-icons
老胡说科学
科学如此美妙,我想让你知道
1231文章数 33538关注度
往期回顾 全部

教育要闻

惠州最好的五所高中TOP5

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

体育要闻

库里已前往医院接受MRI 专家预测伤停2周

娱乐要闻

空军生日当天,央视公开“点名”肖战

财经要闻

黄仁勋,辞职

科技要闻

突发!黄仁勋辞职,英伟达CFO临时接任

汽车要闻

埃安Ray7上市限时11.47万元起 702km续航/L4同源智驾

态度原创

时尚
旅游
教育
亲子
数码

秋天真的很适合穿牛仔单品!这几件服饰值得一试,减龄又百搭

旅游要闻

有人欢喜有人愁,有人出游有人补课,长沙秋假以N种方式打开!专家:不必跟风,适合的就是最好的

教育要闻

分数连加难题,数形结合法,看懂图就会做

亲子要闻

儿童失眠赛道,重磅明星药要来了

数码要闻

米物推出Neoseek Pure 10新国标22.5W自带线磁吸移动电源:15W无线+ 2C设计,169元

无障碍浏览 进入关怀版