问题

如何推导以下几种连分数表示?

回答
好的,我们来聊聊一些经典的连分数表示是如何得来的。与其说是“推导”,不如说是“构造”或“发现”的过程,因为很多时候我们是先有了某个数(比如 $pi$ 或 $sqrt{2}$),然后去寻找它的连分数形式,而不是反过来先有连分数形式再得到数。

我会尽量用通俗易懂的方式来解释,就像跟朋友聊天一样,避免那些“AI味儿”的刻板语言。咱们一个个来,你想了解哪种呢?还是说你对这几种经典的连分数特别感兴趣?

为了有个好的开端,我们先从最简单、最基础的整数和有理数说起,然后再逐渐深入到一些特殊无理数。

1. 整数的连分数表示

这个最简单,甚至有点“无聊”,但它是理解后面一切的基础。

假设我们要表示一个整数 $n$。连分数的基本形式是:

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

其中 $a_0$ 是一个整数,$a_1, a_2, dots$ 都是正整数。

对于一个整数 $n$,我们怎么把它塞进这个形式里呢?

很简单,我们可以把它写成:

$n = n + frac{0}{1}$

但是连分数要求后面的部分必须是 $frac{1}{dots}$。所以,我们自然想到:

$n = n + frac{1}{infty}$

这里的 $infty$ 虽然不是一个严格意义上的整数,但在连分数的语境下,它表示一个“无穷大”的项。我们可以把它看作是连分数的“终止”。

所以,整数 $n$ 的连分数表示就是 $[n]$。它只有一个项 $a_0 = n$。

举个例子:

整数 3 的连分数表示就是 $[3]$。
整数 5 的连分数表示就是 $[5]$。

这就像是说,一个整数本身就是最简洁的形式,不需要再用其他数来“拆解”它了。

2. 有理数的连分数表示

有理数就是可以表示成 $frac{p}{q}$ 的数,其中 $p$ 和 $q$ 是整数,且 $q eq 0$。

我们知道一个基本的算法叫做 欧几里得算法(Euclidean Algorithm),用来求两个数的最大公约数。这个算法本身就蕴含着连分数的思想。

让我们看看欧几里得算法是怎么工作的:

假设我们要表示有理数 $frac{p}{q}$。我们总是可以假设 $p > q > 0$(如果不是,可以先处理一下正负号和大小关系)。

第一步: 用 $p$ 除以 $q$,得到商 $a_0$ 和余数 $r_0$。
$p = a_0 q + r_0$, 其中 $0 le r_0 < q$。
那么,$frac{p}{q} = a_0 + frac{r_0}{q}$。

第二步: 如果 $r_0 = 0$,那么 $frac{p}{q} = a_0$,这就是整数的情况。

第三步: 如果 $r_0 eq 0$,我们就用 $q$ 除以 $r_0$,得到商 $a_1$ 和余数 $r_1$。
$q = a_1 r_0 + r_1$, 其中 $0 le r_1 < r_0$。
那么,$frac{q}{r_0} = a_1 + frac{r_1}{r_0}$。
如果我们把 $frac{p}{q} = a_0 + frac{r_0}{q}$ 变形一下,变成 $frac{p}{q} = a_0 + frac{1}{q/r_0}$,然后代入 $frac{q}{r_0}$ 的表达式,就得到:
$frac{p}{q} = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{r_1}{r_0}}$。

第四步: 继续这个过程。用 $r_0$ 除以 $r_1$,得到商 $a_2$ 和余数 $r_2$。
$r_0 = a_2 r_1 + r_2$, 其中 $0 le r_2 < r_1$。
$frac{r_0}{r_1} = a_2 + frac{r_2}{r_1}$。
代入上一步的表达式:
$frac{p}{q} = a_0 + frac{1}{a_1 + frac{1}{a_2 + frac{r_2}{r_1}}}$。

我们发现,这个过程就是在不断地用余数去除前一个除数,直到余数为零。欧几里得算法保证了余数是递减的($q > r_0 > r_1 > r_2 > dots ge 0$),所以这个过程一定会终止于余数为零。

当余数为零时,最后一个非零余数就是最大公约数。而我们得到的商 $a_0, a_1, a_2, dots$ 就组成了这个有理数的连分数表示。

举个例子:表示 $frac{23}{13}$

1. $23 div 13$: 商是 $1$,余数是 $10$。
$23 = 1 imes 13 + 10$
$frac{23}{13} = 1 + frac{10}{13}$

2. 用 $13$ 除以 $10$: 商是 $1$,余数是 $3$。
$13 = 1 imes 10 + 3$
$frac{13}{10} = 1 + frac{3}{10}$
代入:$frac{23}{13} = 1 + frac{1}{1 + frac{3}{10}}$

3. 用 $10$ 除以 $3$: 商是 $3$,余数是 $1$。
$10 = 3 imes 3 + 1$
$frac{10}{3} = 3 + frac{1}{3}$
代入:$frac{23}{13} = 1 + frac{1}{1 + frac{1}{3 + frac{1}{3}}}$

4. 用 $3$ 除以 $1$: 商是 $3$,余数是 $0$。
$3 = 3 imes 1 + 0$
$frac{3}{1} = 3$ (这里就终止了,或者说最后一个项是 3)
代入:$frac{23}{13} = 1 + frac{1}{1 + frac{1}{3 + frac{1}{3}}}$

所以,$frac{23}{13}$ 的连分数表示是 $[1; 1, 3, 3]$。这里的冒号和分号通常用来分隔整数部分和后面的部分,与纯数学中的记法略有不同,但含义是一致的。

为什么说这是“构造”?

因为欧几里得算法本身就是一个“提取最大整数部分,然后处理剩余小数部分”的过程。每次取倒数,就是把那个“剩余小数部分”放到分母上,然后再次提取整数部分。这个过程非常自然,就像剥洋葱一样,一层一层地把数字的结构展露出来。

几个关键点:

唯一性: 任何有理数都有唯一的有限连分数表示,除了可以以 1 结尾的表示可以改写成前一项减 1 加上一个 $frac{1}{1}$ 的形式。例如,$[1; 2]$ 可以写成 $1 + frac{1}{2} = frac{3}{2}$。而 $frac{3}{2}$ 也可以写成 $[1; 1, 1]$,因为 $1 + frac{1}{1+frac{1}{1}} = 1 + frac{1}{2} = frac{3}{2}$。通常,我们约定不让连分数以 1 结尾,除非它是唯一的项(即只有整数部分)。
有理数总是有理数: 任何有限连分数展开式总是代表一个有理数。这是因为每次提取整数部分和剩余部分的倒数,得到的操作都是有理数上的加法和乘法,这些运算在有理数集合内封闭。

说到这里,你对整数和有理数的连分数表示是不是感觉有点思路了?我们可以继续聊聊无理数,它们会更有趣一些,因为它们的连分数是无限的,而且往往有一些特别的模式。

你想先听听哪个无理数的连分数?比如 $sqrt{2}$?还是 $pi$?或者别的什么?我都可以跟你慢慢讲。

网友意见

user avatar

听说你们想要 ,好,证明给你们看:

那个,原题还有一个连分数,证明在最后哦!(。ò ∀ ó。)这两个证明都是比较初等的。

首先第一步就要吓住你们!

当然了,这个绝对是附加题了,按照契约,在回答最后会补充题目中一个连分数的证明


第一步:

注意到

于是可以收敛地求和:

下式成立:

其中

并且由此对应的

首先考察

于是

把它写成:

求和,上式自带裂项,得到

为了利用类似的部分分式技术

下求 ,显然由上定义:

于是,让我们完成复杂的计算,不要害怕哦

(ヽ(≧□≦)ノ)

一般的,我们记

其中

由于 时 收敛

因此必须有

故因为多项式性质 分母没有

那么

因此 因此

完成了证明

下面考虑到 是关于 的有理函数


第二步:定义

定义

下式成立:

我们注意到恒等式

剩下繁琐的计算验证工作省略

放心,还有更繁琐的:

下式成立:

根据前面 可验证原式

然后注意到: 得证

类似的,也可以处理:(一样的递推)

还记得根据前面

(因为 是平凡的)

于是 那条递推式,相当于:

的所有部分分数的分子的和,故

因此 都满足这条递推


第三步:容易归纳得到

而且 这个不好证明,有空补

当然只是收敛性相关的结论,无伤大雅

于是

这样可以写出递推:

于是

于是利用前面 @有丘直方 同学回答的方法,得到


最后是你们想要的最后一组

​ 下式成立

于是根据 的 展式,和裂项技巧

结论易证

现在回到原题,我们写开引理式:

而设

按照连分数的性质,类似的有

考虑

另外数学归纳法可以证明:

因此

剩下验证这与那个无穷级数一致的工作就是很简单的了

user avatar

程序员传统:迭代变量下界为 ,上界取不到。


引理 (Horner算法):设数列 满足递推式 且 ,则 。

略证:要看出这一点,只需要将和式与递推式展开地写成

我们将看到算法理论中的结论在数学中为数不多的应用。


引理 :令 ,则 。

证:


引理 (Euler连分数公式):若令 ,则 。

证:利用引理 , 。故由引理 可得 。

反复利用数列 的递推式,可得

取 时的极限,得


引理 :设 ,则 。

证:容易看出 。利用引理 可得

上式两边乘 ,得


引理 :设 ,则 。

证:令 ,则由引理 得

上式两边乘 ,得


有了上面的引理就可以开干了。

令 ,则由引理 得

根据Gregory级数 可得 。故

在上式中令 ,则 。于是得


引理 (Gauss连分数公式):设 是一个数列,函数列 满足递推式 。则 。

证:令 ,则其满足递推式 。

反复使用递推式可得


引理 :超几何函数 可以写成连分数 。

证:定义如下函数列:

……

则其满足引理 中的递推关系,其中

……

(请读者自行找规律,懒得写通项。)

于是由引理 可得

或者

令 ,则 。上式变为


那么既然 型的超几何函数可以写成连分数,反正切函数 当然也可以。直接利用引理 可得

在上式中令 ,则 。于是得


最后还有一个连分数在 @cyb酱 的回答中被证明了。

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