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求小數的近似數用的方法是什麼

生活 更新时间:2024-07-08 00:22:31

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)1

提要:無理數可以用連分數表示,但書寫形式很繁複,本文在傳統求法的基礎上,給出一種程序化求法、書寫的簡化形式和用漸近分數表達無理數

拉馬努金恒等式實際揭示了,有理數可以用無理數表示,反過來,無理數可以用有理數來表示嗎?曆史上,有很多數學家,象歐拉,高斯等人對此有過深入研究,都給出肯定的回答,無理數可以用連分數來表示。

01--√5的連分數表示

以√5為例,√5的整部(整數部分)是2,分部(小數部分)是√5-2,

√5=整部 分部

=2 (√5-2)

整部=2,分部=√5-2

其分部√5-2的倒數:

1/(√5-2)=√5 2

=整部 分部

=4 (√5-2)

整部=4,分部=√5-2

此時√5 2的分部=√5的分部,第一次出現循環,整部、分部分離過程結束。

這個過程在《幾何畫闆》中,用去尾函數trunc(x)來分離無理數的整部和分部很方便,下圖就是這個分離過程的截圖。

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)2

把上述過程形式化得

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)3

即√5可以用下圖中的連分數來表示:

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)4

√5用連分式來表示形式漂亮,但也有缺憾,占用篇幅大,書寫較繁瑣,因而常用中括号簡記為√5=[2,4,4,4...]=[2,4],其中4表示以4為循環節。

02--√7的連分數表示

再以√7為例,√7的整部(整數部分)是2,分部(小數部分)是√7-2,

√7=整部 分部

=2 (√7-2)

整部=2,分部=√7-2

分部(√7-2)的倒數:

1/(√7-2)=(√7 2)/3

=整部 分部

=1 (√7-1)/3

整部=1,分部=(√7-1)/3

其分部(√7-1)/3的倒數:

3/(√7-1)=(√7 1)/2

=整部 分部

=1 (√7-1)/2

整部=1,分部=(√7-1)/2

其分部(√7-1)/2的倒數:

2/(√7-1)=(√7 1)/3

=整部 分部

=1 (√7-2)/3

整部=1,分部=(√7-2)/3

分部=(√7-2)/3的倒數:

3/(√7-2)=√7 2=4 √7-2

=整部 分部

=4 (√7-2)

此時3/(√7-2)的分部=√7的分部,第一次出現循環,整部、分部分離過程結束。

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求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)7

把上述過程形式化得

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)8

即√7可以用下圖中的連分數來表示:

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)9

簡記為√7=[2,1,1,1,4,1,1,1,4...]=[2,1,1,1,4],其中1,1,1,4表示以1,1,1,4為循環節。

03--無理數√n化連分數的步驟

以√n為例

  • 将√n分離為整部z1和分部f1
  • 求分部f1的倒數d1
  • 将d1分離為整部z2和分部f2
  • 求分部f2的倒數d2
  • 将d2分離為整部z3和分部f3
  • 重複上述過程,直到分部fn第一次和前面某分部fk相同(fn=fk)為止,結束過程分離。
  • √n=[z1,z2,。。。zi,。。。,zn]

按上述操作,将√13化為連分數

  1. 分離√13=3 (√13-3),得z1=3,f1=√13-3
  2. d1=1/(√13-3)=(√13 3)/4;
  3. 分離d1,得z2=1,f2=(√13-1)/4;
  4. d2=4/(√13-1)=(√13 1)/3;
  5. 分離d2,得z3=1,f3=(√13-2)/3;
  6. d3=3/(√13-2)=(√13 2)/3;
  7. 分離d3,得z4=1,f4=(√13-1)/3;
  8. d4=3/(√13-1)=(√13 1)/4;
  9. 分離d4,得z5=1,f5=(√13-3)/4;
  10. d5=4/(√13-3)=√13 3=6 (√13-3);
  11. 分離d5,得z6=6,f6=√13-3
  12. 分部第一次出現重複f1=f6,分離過程結束。
  13. √13=[3,1,1,1,1,6]

用《幾何畫闆》驗證:

求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)10

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按上述操作,将√101化為連分數

  1. 分離√101=10 (√101-10),得實部10,分部(√101-10)
  2. 分部的倒數1/(√101-10)=√101 10;
  3. 分離√101 10,得實部20,分部√101-10
  4. 分部第一次出現重複,分離過程結束。
  5. √101=[10,20]

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求小數的近似數用的方法是什麼(用連分數表示無理數)13

04--無理數的漸近分數

漸進分數表示了向無理數逐漸逼近無理數的趨勢,所以漸近分數可以用來表示無理數的近似值。

如√3=[1,1,2]的前五個漸近分數:

A1=[1]=1,

A2=[1,1]=2,

A3=[1,1,2]=1 2/3≈1.667,

A4=[1,1,2,1]=1 3/4≈1.75,

A5=[1,1,2,1,2]=1 8/11≈1.73。

再如√101=[10,20]的前三個漸近分數:

A1=[10]=10,

A2=[10,20]=10 1/20=10.05,

A3=[10,20,20]=10 20/401≈10.04988。

1761年,德國數學家蘭伯特證明了圓周率pi是無理數,因而pi也可以用連分數來表示(計算過程太複雜,略)

pi=[3,7,15,1,292,1,1...]

pi的前四個漸近分數:

A1=3,

A2=22/7,

A3=333/106,

A4=355/113。

其中,A2,A3恰好分别是祖沖之計算出的“約率”和“密律”。

05--結語

拉馬努金恒等式,揭示了用無理數表示有理數,用連分數表示無理數,說明無理數也可以用有理數來表示。因而有理數和無理數的種關系是辯證的統一,是符合辯證法的。

用連分數表示無理數的主要步驟:分離,求倒數。

無理數的漸近分數可以用來表示無理數的近似值,這也算用連分數表示無理數的用途之一吧。

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