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認識連分數 (第 7 頁)

林聰源

 


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.原載於數學傳播第二卷第三期
.作者當時任教於清大數學系
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§6. 補語

  • 由公式 1, pk=akpk-1+pk-2,qk=akqk-1+qk-2 當所有的 ak 都等於 1,而且 p0=0q0=1 時,則得 pkqk 的數列如下:

    \begin{eqnarray*}
\{p_k\} &=& 0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55 \cdots \\
\{q_k\} &=& 1,1,2,3,5,8,13,21, \cdots
\end{eqnarray*}


    這就是習稱的 Fibonacci 數列在整數論中常被提及。一般而言,只要 ak 恆等於某一定正整數時,都可稱為 Fibonacci 數列,它們具有類似的性質。

  • 我們在 §4. 談到的黃金比 $\frac{1+\sqrt{5}}{2}$,及 §5. 例 2 中的 ($\sqrt{2}-1$),其無窮連分數表法有一特徵,那就是它們有循環節:

    \begin{displaymath}
\frac{1+\sqrt{5}}{2}=[0,1,1,1,\cdots], \quad
\sqrt{2}-1=[0,2,2,2,\cdots]
\end{displaymath}

    事實上有一個定理說,二次方程式的無理根,其無窮連分數表法必為循環的,反之,具有循環節的連分數,其收斂值必滿足一個二次方程式。

  • 英國數學家 Brouncker 爵士(1620∼1684)曾導出如下連分數

    \begin{displaymath}
\frac{4}{\pi} = 1 + \frac{1}{2} \; \lower1.5ex\hbox{$+$}\; \...
...5ex\hbox{$+$}\; \frac{49}{2} \; \lower1.5ex\hbox{$+$}\; \cdots
\end{displaymath}

    十八世紀世界級的數學家尤拉 (Euler) 也曾導出

    \begin{displaymath}
e-1 = 1+\frac{1}{1} \; \lower1.5ex\hbox{$+$}\; \frac{1}{2} \...
....5ex\hbox{$+$}\; \frac{1}{6} \; \lower1.5ex\hbox{$+$}\; \cdots
\end{displaymath}

    因而證得 e 為無理數,後來尤拉在柏林科學院的同事 Lambert(1728∼1777)利用他們的結果證明了 π 是無理數。近代也有人利用連分數理論來研究超越數並獲得顯著成果的。

  • 王九達教授 64 年回國在清華大學數學系客座時,曾提出一個問題「如何利用電子計算機製作一個陰曆的萬年曆?」如果所有的數據夠精確,連分數也許就是夢寐以求的好方法吧?!

  • 最後講一點哲學的話。我們都知道實數有小數點表示,而某些函數也可展為冪級數,利用這些表法,我們得到了不少深遠的結果。如果我們把連分數也想像成一個類似以上的表法,給它一點地位,那就不難理解,為什麼連分數在歷史上對數學會有如此大巨的貢獻和深遠的影響了。

   

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編輯:李渭天 / 繪圖:簡立欣 最後修改日期:4/26/2002