循環連分數 是一種可表示為以下形式的連分數 :
x
=
a
0
+
1
a
1
+
1
a
2
+
⋱
⋱
a
k
+
1
a
k
+
1
+
⋱
⋱
a
k
+
m
−
1
+
1
a
k
+
m
+
1
a
k
+
1
+
1
a
k
+
2
+
1
⋱
{\displaystyle x=a_{0}+{\cfrac {1}{a_{1}+{\cfrac {1}{a_{2}+{\cfrac {\ddots }{\quad \ddots \quad a_{k}+{\cfrac {1}{a_{k+1}+{\cfrac {\ddots }{\quad \ddots \quad a_{k+m-1}+{\cfrac {1}{a_{k+m}+{\cfrac {1}{a_{k+1}+{\cfrac {1}{a_{k+2}+{\cfrac {1}{\ddots }}}}}}}}}}}}}}}}}}\,}
前k+1個部分分母不算,後面的部分分母[a k +1 , a k +2 ,…a k +m ]會一直重覆出現。例如
2
{\displaystyle {\sqrt {2}}}
即可表示為循環連分數[1,2,2,2,...]。
循環連分數的部份分母{a i }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
3
=
1.732
…
=
[
1
;
1
,
2
,
1
,
2
,
1
,
2
,
…
]
{\displaystyle {\sqrt {3}}=1.732\ldots =[1;1,2,1,2,1,2,\ldots ]}
。
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:
x
=
[
a
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
k
,
a
k
+
1
,
a
k
+
2
,
…
,
a
k
+
m
,
a
k
+
1
,
a
k
+
2
,
…
,
a
k
+
m
,
…
]
=
[
a
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
k
,
a
k
+
1
,
a
k
+
2
,
…
,
a
k
+
m
¯
]
{\displaystyle {\begin{aligned}x&=[a_{0};a_{1},a_{2},\dots ,a_{k},a_{k+1},a_{k+2},\dots ,a_{k+m},a_{k+1},a_{k+2},\dots ,a_{k+m},\dots ]\\&=[a_{0};a_{1},a_{2},\dots ,a_{k},{\overline {a_{k+1},a_{k+2},\dots ,a_{k+m}}}]\end{aligned}}}
第二行的括線 表示循環的部份。有些教材書會用以下的寫法
x
=
[
a
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
k
,
a
˙
k
+
1
,
a
k
+
2
,
…
,
a
˙
k
+
m
]
{\displaystyle {\begin{aligned}x&=[a_{0};a_{1},a_{2},\dots ,a_{k},{\dot {a}}_{k+1},a_{k+2},\dots ,{\dot {a}}_{k+m}]\end{aligned}}}
循環部份的第一個數字和最後一個數字上方加上點識別。
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
x
=
[
a
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
m
−
1
¯
]
,
{\displaystyle x=[{\overline {a_{0};a_{1},a_{2},\dots ,a_{m-1}}}],}
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
[
1
;
1
,
1
,
1
,
…
]
{\displaystyle [1;1,1,1,\dots ]}
,就是純循環連分數,而
2
{\displaystyle {\sqrt {2}}}
的循環連分數是
[
1
;
2
,
2
,
2
,
…
]
{\displaystyle [1;2,2,2,\dots ]}
,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 有提到。先考慮以下的純循環連分數
x
=
[
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
m
¯
]
,
{\displaystyle x=[0;{\overline {a_{1},a_{2},\dots ,a_{m}}}],}
此純循環連分數可以寫成
x
=
α
x
+
β
γ
x
+
δ
{\displaystyle x={\frac {\alpha x+\beta }{\gamma x+\delta }}}
其中
α
,
β
,
γ
,
δ
{\displaystyle \alpha ,\beta ,\gamma ,\delta }
是整數,滿足
α
δ
−
β
γ
=
1.
{\displaystyle \alpha \delta -\beta \gamma =1.}
。其確切值可以用以下方式求得
S
=
(
1
0
1
1
)
{\displaystyle S={\begin{pmatrix}1&0\\1&1\end{pmatrix}}}
表示移位,因此
S
n
=
(
1
0
n
1
)
{\displaystyle S^{n}={\begin{pmatrix}1&0\\n&1\end{pmatrix}}}
以下這個類似反射
T
↦
(
−
1
1
0
1
)
{\displaystyle T\mapsto {\begin{pmatrix}-1&1\\0&1\end{pmatrix}}}
而
T
2
=
I
{\displaystyle T^{2}=I}
。這些矩陣都是單位模矩陣 ,其乘積仍是單位模矩陣。針對上述的
x
{\displaystyle x}
,對應的矩陣如下
S
a
1
T
S
a
2
T
⋯
T
S
a
m
=
(
α
β
γ
δ
)
{\displaystyle S^{a_{1}}TS^{a_{2}}T\cdots TS^{a_{m}}={\begin{pmatrix}\alpha &\beta \\\gamma &\delta \end{pmatrix}}}
而
x
=
[
0
;
a
1
,
a
2
,
…
,
a
m
¯
]
=
α
x
+
β
γ
x
+
δ
{\displaystyle x=[0;{\overline {a_{1},a_{2},\dots ,a_{m}}}]={\frac {\alpha x+\beta }{\gamma x+\delta }}}
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
S
L
(
2
,
Z
)
.
{\displaystyle SL(2,\mathbb {Z} ).}
。
文內注釋
^ Kenneth H. Rosen. Elementary Number Theory and Its Applications.
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.)