问题

请问如何求下面这个连分数收敛到的值?

回答
好的,我们来聊聊如何求解一个连分数的收敛值。连分数,顾名思义,就是一种形如 $a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_3 + dots}}}$ 的数学表达式。这里,$a_0$ 是一个整数,而 $a_1, a_2, a_3, dots$ 都是正整数。

连分数的“收敛”

“收敛”这个词,在数学里通常指的是当一个过程无限进行下去的时候,它的结果趋近于一个固定的值。对于连分数,我们关心的就是当它后面部分的项越来越多,趋向于无穷的时候,整个表达式会趋向于哪个具体的数值。

求连分数收敛值的几种途径

求解连分数的收敛值,主要有两种思路:一种是“暴力”逼近,一种是更巧妙的代数方法。

方法一:近似计算(暴力逼近)

这是最直观的方法。我们知道连分数可以看作是一系列的“截断”:

第一个近似值(也叫初值):$c_0 = a_0$
第二个近似值:$c_1 = a_0 + frac{1}{a_1}$
第三个近似值:$c_2 = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2}}$
第四个近似值:$c_3 = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_3}}}$
以此类推...

我们可以一层一层地计算这些近似值。随着计算的层数越来越多,这些近似值就会越来越接近连分数真正的收敛值。

举个例子:

我们来算算这个连分数:$1 + frac{1}{2 + frac{1}{3 + frac{1}{4 + dots}}}$ (这里,$a_0=1, a_1=2, a_2=3, a_3=4, dots$,这是一个无穷连分数)

1. $c_0 = 1$
2. $c_1 = 1 + frac{1}{2} = 1.5$
3. $c_2 = 1 + frac{1}{2 + frac{1}{3}} = 1 + frac{1}{frac{7}{3}} = 1 + frac{3}{7} = frac{10}{7} approx 1.42857$
4. $c_3 = 1 + frac{1}{2 + frac{1}{3 + frac{1}{4}}} = 1 + frac{1}{2 + frac{1}{frac{13}{4}}} = 1 + frac{1}{2 + frac{4}{13}} = 1 + frac{1}{frac{30}{13}} = 1 + frac{13}{30} = frac{43}{30} approx 1.43333$

你会发现,随着计算的深入,$1.5, 1.42857, 1.43333$ 似乎在围绕一个值波动,并慢慢靠近。如果继续计算下去,你会发现它越来越接近 $e1 approx 1.71828 1 = 0.71828$ 的近似值,但请注意,这个例子中的连分数是 $frac{1}{1+frac{1}{2+frac{1}{3+dots}}}$ ,如果你的意思是 $1 + frac{1}{2+frac{1}{3+dots}}$,那它收敛到的是 $e1$ 的倒数 $frac{1}{e1}$ 。

这种方法的优点:

直观易懂: 不需要高深的数学理论,直接计算就能体会到收敛的过程。
适用于有限连分数: 对于有限项的连分数,这种方法直接就能给出精确的有理数值。

这种方法的局限性:

效率不高: 对于需要精确值的无穷连分数,计算量会非常大,而且我们永远无法计算到“最后”。
可能不精确: 如果是小数计算,误差会累积。

方法二:代数方法(寻找递推关系)

对于无穷连分数,我们通常会寻找一种更优雅的代数方法。这个方法的核心是利用连分数的递归性质。

假设我们要计算的连分数是 $x = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_3 + dots}}}$

我们注意到,从 $a_1$ 开始的部分:$a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_3 + dots}}$ 本身也是一个连分数!如果这个连分数是“周期性”的,或者我们能发现一个规律,就可以利用它来求解。

最经典的情况:周期性连分数

一个非常重要的结论是:一个连分数收敛到的值是无理数,当且仅当它是“周期性”的。

周期性连分数是指从某一项开始,后面的系数会无限重复出现。比如:

$x = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + dots}}}}$

其中,$a_1, a_2$ 是重复的部分。

如何求解周期性连分数?

1. 设未知数: 设连分数的收敛值为 $x$。
2. 找出重复的部分: 找到那个循环开始的地方。
对于上面的例子,我们可以写成:
$x = a_0 + frac{1}{ ext{循环部分}}$
令 $y = a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + dots}}}$
那么,$y$ 的表达式中,从 $a_2$ 开始的部分又是 $y$ 本身(只是差了一层分母)。
所以,我们可以写出:
$y = a_1 + frac{1}{a_2 + frac{1}{y}}$
3. 建立方程: 将上面这个关于 $y$ 的方程化简,得到一个关于 $y$ 的二次方程。
$y = a_1 + frac{1}{frac{a_2 y + 1}{y}} = a_1 + frac{y}{a_2 y + 1}$
$y(a_2 y + 1) = a_1(a_2 y + 1) + y$
$a_2 y^2 + y = a_1 a_2 y + a_1 + y$
$a_2 y^2 a_1 a_2 y a_1 = 0$
4. 解方程: 利用求根公式解出 $y$。
$y = frac{(a_1 a_2) pm sqrt{(a_1 a_2)^2 4(a_2)(a_1)}}{2a_2} = frac{a_1 a_2 pm sqrt{a_1^2 a_2^2 + 4a_1 a_2}}{2a_2}$
因为 $a_1, a_2$ 都是正整数,$y$ 必须是正的(因为它是从 $a_1$ 开始的连分数),所以我们选择正的那个根。
5. 代回求解 $x$: 一旦求出 $y$ 的值,就可以代入 $x = a_0 + frac{1}{y}$ 来计算 $x$ 的值。

举个更具体的例子:黄金分割数

黄金分割数 $phi$ 大家都听说过,它的连分数表示是:
$phi = 1 + frac{1}{1 + frac{1}{1 + frac{1}{1 + dots}}}$
这里,$a_0 = 1, a_1 = 1, a_2 = 1, dots$

1. 设未知数: 设 $phi = 1 + frac{1}{1 + frac{1}{1 + dots}}$
2. 找出重复部分: 注意到从第二个“1”开始,后面的部分就是 $phi$ 本身。
$phi = 1 + frac{1}{phi}$
3. 建立方程:
$phi^2 = phi + 1$
$phi^2 phi 1 = 0$
4. 解方程: 利用求根公式:
$phi = frac{(1) pm sqrt{(1)^2 4(1)(1)}}{2(1)} = frac{1 pm sqrt{1 + 4}}{2} = frac{1 pm sqrt{5}}{2}$
5. 选择合适的根: 因为 $phi$ 是从正数开始的连分数,$a_0=1, a_1=1, dots$ 都是正数,所以 $phi$ 必须是正的。因此,我们选择正根:
$phi = frac{1 + sqrt{5}}{2}$

这就是著名的黄金分割数。

关于非周期性连分数

并非所有的连分数都是周期性的。那些不重复的(也称为“正则”的)无穷连分数,它们的收敛值往往是超越数(比如 $pi$ 和 $e$ 的一些相关的连分数)。对于这类连分数,它们的值通常无法用一个简单的代数表达式(比如一个根式)来精确表示,只能通过近似计算来逼近。

总结一下求解连分数收敛值的方法:

有限连分数: 直接一层层计算,会得到一个精确的有理数。
无穷周期性连分数: 利用代数方法,设未知数,建立方程,解出收敛值。这是最“精确”的方法。
无穷非周期性连分数: 只能通过近似计算来逼近它的值。

理解连分数的收敛性,以及掌握如何通过代数方法处理周期性连分数,是理解它们美妙之处的关键。这就像是把一个无限的、看似复杂的结构,通过一点点技巧,变成了一个有限的、可以理解的数值。

网友意见

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mathematica没跑出来结果,基于 @wydi @周兴海的结果,我猜了一个解

其中 为宗量为 的第一类贝塞尔函数,当n为非负整数时,其定义为:

发现答案确实与 @周兴海 的答案提到的答案是一致的。

我妈催我去吃午饭了,等会再来补充猜的过程


因为我有吃饭时看一场守望先锋联赛的习惯,今天看的前天广州打伦敦,打了4张大图,所以这个午饭吃得有点慢233滚回来填坑了

一、正经解法

虽然过程是猜的,但确实有严格的证明。我在此先给一个严格的证明,然后再在后面第2章节给大家讲讲我是怎么猜出来的。我估计大家应该更关心的不是答案,而是如何猜出来的答案吧(笑

证:

注意到有迭代关系成立:

这里相当于求 ,不妨令

代入(1.1)式,变成了:

化简即为:

注意到贝塞尔函数具有性质(推导用该链接间宫羽咲sama:考前复习总结,随便瞎写的对应的书上5.26、5.27展开相减即可得到,):

将 代入(1.4),即与(1.3)式吻合:

因此我们可以断言 :

证毕


二、我是怎么猜出来的

如果是想要用来装B的话,第一章已经足够了。不过这仅仅是一个答案,并不能解决读者的疑惑——作者到底是怎么猜出来的这个解。毕竟“注意到(1.5)式”实在是太困难了,读者看完也只能一头雾水。下面我将带着大家复盘一遍我是如何解决这道题的。

首先根据 @wydi 的回答,打开mathematica,敲入命令

                ContinuedFractionK         [(         2                   +                   n         )         *         (         -1         )         ^         n         ,                   {         n         ,                   0         ,                   Infinity         }]         ^         -1            

好吧,毫无悬念地出不来结果

那么我们退而求其次,看看一个相对简单的情形能不能出结果:

       ContinuedFractionK[n, {n, 1, Infinity}]^-1     

结果出来了,是Bessel_I函数,这个函数是第一类修正贝塞尔函数,我没有学过。考虑到 @周兴海 的回答给出了一个数值解1.63454 98477 5613...,然后做一个大胆的尝试,找到一个我学过的“第一类未修正贝塞尔函数”,穷举前面10个数,看看规律:

                Table         [         N         [         BesselJ         [         n         ,                   2         ]],                   {         n         ,                   0         ,                   10         }]            

我们一看,0.576725/0.352834不就约等于1.63xxx...吗,让我们精确地算出来它

       N[BesselJ[1, 2]/BesselJ[2, 2], 20]     

简直一模一样好吗?那就是它了(叹气

然后就是借助学过的贝塞尔函数的一些递推性质(1.5),将函数化简为目标情形了,具体详见第一章内容


彩蛋

老规矩,还是文末彩蛋。突然想起来我没有放过国产galgame的图,其实steam上挺多国产gal也做得很不错的,在这里安利一下《我和她的世界末日》。

两年前的游戏了,题材虽然老套,末日+监禁。老实说,要是我代入女主视角,我肯定不可能相信男主。即使是最后的TE也有一种强行happy的感觉,因为怎么看都感觉像是男主自己精心设的一个局。后来通过网上查资料,发现这游戏果然有个网页版,结局和我猜测的差不多。可能是因为要在steam上卖,怕被玩家骂吧,把内容做了一些修改,只不过留下的原来版本的痕迹太多了(叹气)。不过总的来说做的还是不错的,题材虽然有些老生常谈,但做出了新意,值得推荐。

(顺便,其实我本来是想安利赤印plus的,结果由于迷之原因,我打开游戏发现我的存档全没了,当时我就呆住.jpg)

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