循環連分數

循環連分數是一種可表示為以下形式的連分數

前k+1個部分分母不算,後面的部分分母[ak+1ak+2,…ak+m]會一直重覆出現。例如即可表示為循環連分數[1,2,2,2,...]。

循環連分數的部份分母{ai}可以是任何實數或虛數。

1770年,拉格朗日證明一個數字能表示成循環連分數,若且唯若此數為二次無理數[1]。例如

在此條目以下的內容會限制在部份分母為正整數的循環連分數。

純循環連分數以及循環連分數

因為循環連分數的分子都是1,因此可以用以下簡化的方式記錄循環連分數:

 

第二行的括線表示循環的部份[2]。有些教材書會用以下的寫法

 

循環部份的第一個數字和最後一個數字上方加上點識別[3]

若循環連分數中都是循環部份,沒有不循環的第一部份,也就是k = -1, a0 = am,則

 

這樣的循環連分數稱為純循環連分數(purely periodic)。例如黃金比例φ的循環連分數是 ,就是純循環連分數,而 的循環連分數是 ,是循環連分數,不是純循環連分數。

和單位模矩陣之間的關係

循環連分數可以和實數的二次無理數一一對應。其對應關係在明可夫斯基問號函數英语Minkowski's question-mark function有提到。先考慮以下的純循環連分數

 

此純循環連分數可以寫成

 

其中 是整數,滿足 。其確切值可以用以下方式求得

 

表示移位,因此

 

以下這個類似反射

 

 。這些矩陣都是單位模矩陣英语unimodular matrix,其乘積仍是單位模矩陣。針對上述的 ,對應的矩陣如下[4]

 

 

是其顯式式。因為所有的矩陣元素都是整數,矩陣也屬於模群英语modular group  

文內注釋

  1. ^ Kenneth H. Rosen. Elementary Number Theory and Its Applications.
  2. ^ Pettofrezzo & Byrkit 1970,第158頁.
  3. ^ Long 1972,第187頁.
  4. ^ Khinchin 1964.

參考資料

  • Long, Calvin T. Elementary Introduction to Number Theory 3 Sub. Waveland Pr Inc. 1972. LCCN 77-171950. 
  • Pettofrezzo, Anthony Joseph; Byrkit, Donald R. Elements of Number Theory 11. Englewood Cliffs: Prentice Hall. 1970. ISBN 9780132683005. LCCN 77-81766. 
  • Khinchin, A. Ya. Continued Fractions . University of Chicago Press. 1964 [Originally published in Russian, 1935]. ISBN 0-486-69630-8.  (This is now available as a reprint from Dover Publications.)