Квант
Смесь

[О бумажных звёздочках]

О. М.

20

99/70 приближает 2\sqrt{2} с точностью лучшей, чем 0,0001.

Пример 2. Расстоянием перiodичную цепную дробь
[2; 1, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 4, …].

Коротко ее можно записать так:
[2; 1,1,1,4,1,1,1,4,1,1,1,4,...‾\overline{1, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 4, ...}].

Найдем число, которое она соответствует. Если это число обозначит через α\alpha, то выполянется равенство (почему?)

α=2+1∣1∣+1∣1∣+1∣1∣+1∣2+a∣\alpha = 2 + \frac{1}{|1|} + \frac{1}{|1|} + \frac{1}{|1|} + \frac{1}{|2+a|}

или, после преобразования,

α=21+8α8+3α\alpha = \frac{21+8\alpha}{8+3\alpha}

Отсюда следует, что α2=7\alpha^2 = 7, и, так как α>2\alpha > 2, получаем α=7\alpha = \sqrt{7}.

Легко видеть, что этим способом можно найти значение любой периодической цепной дроби.

Найлучшие приближения и цепные дроби

Найлучшим приближением к числу α\alpha называется дробь pq\frac{p}{q} (q>0q > 0) такая, что

∣q′α−p′∣>∣qα−p∣|q' \alpha - p'| > |q \alpha - p|

для всех 1≤q′<q1 \leq q' < q и всех p′p'. Справедливая

Теорема. Всякое найлучшее приближение к α\alpha есть подходящая дробь α\alpha; при k>1k > 1 верно и обратное, то есть любая подходящая дробь pkqk\frac{p_k}{q_k} при k>1k > 1 доставляет найлучшее приближение к числу α\alpha.

Доказательство этой теоремы несложно, и мы предоставляем его читателю. (Если же трудно окажать непреодолимыми, то можно обратиться к книге С. Ленга «Введение в теорию диофантовых приближений» (M., Мир, 1970).

Эквивалентность чисел

Два числа α\alpha и β\beta называются эквивалентными, если

α=aβ+bcβ+d,\alpha = \frac{a\beta + b}{c\beta + d},

где a,b,c,da, b, c, d — целые и ad−bc=1ad - bc = 1 или — 1.

Обозначим через σ\sigma и σk\sigma_k (где kk — целое) операции, определяемые следующим образом:

σα=1α,σkα=k+α.\sigma \alpha = \frac{1}{\alpha}, \quad \sigma_k \alpha = k + \alpha.

Ясно, что, применяя σ\sigma и σk\sigma_k к числу α\alpha, мы всегда получаем эквивалентное число. Ясно также, что применение операций вида

σσkα=1α+k,σkσα=k+1α=kα+1α\sigma \sigma_k \alpha = \frac{1}{\alpha + k}, \quad \sigma_k \sigma_\alpha = k + \frac{1}{\alpha} = \frac{k\alpha + 1}{\alpha}

также дает пример эквивалентных числу α\alpha чисел.

Задание

  1. Докажите, что если α\alpha и β\beta эквивалентны, то найдет цель числа k1,k2,…,kjk_1, k_2, \dots, k_j также, что β=σk1σk2…σkjα\beta = \sigma_k1 \sigma_k2 \dots \sigma_kj \alpha.

  2. Пусть числа α\alpha и β\beta имеют одинаковое разложение в цепную дробь, начиная с некоторых номеров kk и SS, то есть

α=r0+1∣r1∣+1∣r2∣+⋯+1∣rk∣+1∣d1∣+1∣d2∣+…,\alpha = r_0 + \frac{1}{|r_1|} + \frac{1}{|r_2|} + \dots + \frac{1}{|r_k|} + \frac{1}{|d_1|} + \frac{1}{|d_2|} + \dots,

β=h0+1∣h1∣+1∣h2∣+⋯+1∣hs∣+1∣d1∣+1∣d2∣+…\beta = h_0 + \frac{1}{|h_1|} + \frac{1}{|h_2|} + \dots + \frac{1}{|h_s|} + \frac{1}{|d_1|} + \frac{1}{|d_2|} + \dots

Докажите, что тогда числа α\alpha и β\beta эквивалентны.

  1. Докажите, что если числа α\alpha и β\beta эквивалентны, то их цепные дроби имеют вид (3).

(Продолжение в следующем номере)

Наша обложка

Бумажные звездочки, показанные на первой странице обложки, — не просто декоративный сюжет к Первоーマйском празднику. Они связаны с математикой, причем с развитиями ее разделами. С одной стороны — это модель из звездчатых многогранников, о которых уже писалось в «Кванте» (1973, № 5, с. 26), и поэтому они относятся к теории симметрии в пространстве (геометрия, теория групп). С другой стороны, эти звездочки соприкасаются с теории узлов (см. «Кванте», 1975, № 7, с. 6 или 1981, № 3, с. 8) и с так называемой теории

кос. В теории кос алгебраических методами изучаются приемы сплетения кос извервок или полосок, а наши звездочки как раз и сплетены из бумажных полосок. О том, как это делается, мы рассакjem в одном из ближайших номеров журнала.

О. М.