În teoria analitică a fracțiilor continuate generalizate , formula fracției continuate a lui Euler este o identitate care conectează o serie generică foarte generală cu o fracție continuată . Publicat pentru prima dată în 1748, a fost considerat inițial ca o simplă identitate pentru conectarea unei sume finite cu o fracție continuă finită în așa fel încât extinderea la cazul infinit a fost imediat evidentă. [1] Astăzi este mai apreciat ca un instrument util pentru abordarea analitică a problemei generale a convergenței pentru fracții continue infinite cu elemente complexe.
Formula originală
Euler a derivat formula conectând o sumă finită de produse cu o fracție continuă finită.
- {\ displaystyle a_ {0} + a_ {0} a_ {1} + a_ {0} a_ {1} a_ {2} + \ cdots + a_ {0} a_ {1} a_ {2} \ cdots a_ {n } = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {1 + a_ {1} - {\ cfrac {a_ {2}} {1 + a_ {2} - {\ cfrac {\ ddots} {\ ddots {\ cfrac {a_ {n-1}} {1 + a_ {n-1} - {\ cfrac {a_ {n}} {1 + a_ {n}}}}}} }}}}}}} \,}
Identitatea poate fi ușor dovedită prin inducție pe n și, prin urmare, este aplicabilă limitei: dacă expresia din stânga este extinsă pentru a reprezenta o serie convergentă , atunci expresia din dreapta poate fi extinsă și pentru a reprezenta o fracție continuă infinită convergent.
Formula lui Euler
Dacă r i sunt numere complexe și x este definit de
- {\ displaystyle x = 1 + \ sum _ {i = 1} ^ {\ infty} r_ {1} r_ {2} \ cdots r_ {i} = 1 + \ sum _ {i = 1} ^ {\ infty} \ left (\ prod _ {j = 1} ^ {i} r_ {j} \ right) \ ,,}
atunci această egalitate poate fi dovedită prin inducție
- {\ displaystyle x = {\ cfrac {1} {1 - {\ cfrac {r_ {1}} {1 + r_ {1} - {\ cfrac {r_ {2}} {1 + r_ {2} - {\ cfrac {r_ {3}} {1 + r_ {3} - \ ddots}}}}}}}} \,} .
unde egalitatea trebuie înțeleasă ca echivalență, în sensul că n-a convergentă (adică n-a fracție continuă finită obținută prin trunchierea fracției continue infinite după n iterații) a fiecărei fracții continue este egală cu a n-a sumă parțială din seria scrisă mai sus. Prin urmare, dacă această serie este convergentă - sau uniform convergentă, când r i sunt funcții ale unei variabile complexe z - atunci și fracțiile continue finite converg sau converg uniform. [2]
Demonstrație
Expresia {\ displaystyle a_ {0} + a_ {0} a_ {1} + a_ {0} a_ {1} a_ {2} + a_ {0} a_ {1} a_ {2} a_ {3}} poate fi rescris ca o fracție continuă.
- {\ displaystyle {\ begin {align} a_ {0} + a_ {0} a_ {1} + a_ {0} a_ {1} a_ {2} + a_ {0} a_ {1} a_ {2} a_ { 3} & = a_ {0} (a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1) \\ [8pt] & = {\ cfrac {a_ {0}} {\ cfrac {1} {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1}}} \\ [8pt] & = {\ cfrac {a_ {0}} {{\ cfrac {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1} {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1}} - {\ cfrac {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1)} {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1}} }} = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1)} {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1}}}} \\ [8pt] & = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {\ cfrac {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1) +1} {a_ {2} (a_ {3} +1) +1}}}} \\ [8pt] & = { \ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {{\ cfrac {a_ {1} (a_ {2} (a_ {3} +1) +1)} {a_ {2 } (a_ {3} +1) +1}} + {\ cfrac {a_ {2} (a_ {3} +1) +1} {a_ {2} (a_ {3} +1) +1}} - {\ cfrac {a_ {2} (a_ {3} +1)} {a_ {2} (a_ {3} +1) +1}}}}}} = {\ cfrac {a_ {0}} { 1 - {\ cfrac {a_ {1}} {1 + a_ {1} - {\ cfrac {a_ {2} (a_ {3} +1)} {a_ {2} (a_ {3} +1) + 1}}}}}} \\ [8pt] & = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {1 + a_ {1} - {\ cfrac {a_ {2 }} {\ cfrac {a_ {2} (a_ {3} +1) +1} {a_ {3} +1}}}}}} \\ [8pt] & = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {1 + a_ {1} - {\ cfrac {a_ {2}} {{\ cfrac {a_ {2} (a_ {3} +1)} {a_ { 3} +1 }} + {\ cfrac {a_ {3} +1} {a_ {3} +1}} - {\ cfrac {a_ {3}} {a_ {3} +1}}}}}}} = {\ cfrac {a_ {0}} {1 - {\ cfrac {a_ {1}} {1 + a_ {1} - {\ cfrac {a_ {2}} {1 + a_ {2} - {\ cfrac {a_ { 3}} {1 + a_ {3}}}}}}}}} \ end {align}}}
Acest lucru poate fi aplicat unei secvențe de orice lungime și, prin urmare, poate fi aplicat și cazului infinit.
Exemple
Funcția exponențială
Funcția exponențială e z este o funcție întreagă exprimabilă ca o serie de puteri care converg uniform pe orice domeniu delimitat din planul complex.
- {\ displaystyle e ^ {z} = 1 + \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {z ^ {n}} {n!}} = 1+ \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} \ left (\ prod _ {j = 1} ^ {n} {\ frac {z} {j}} \ right) \,}
Aplicarea formulei fracției Euler continuate este simplă:
- {\ displaystyle e ^ {z} = {\ cfrac {1} {1 - {\ cfrac {z} {1 + z - {\ cfrac {{\ frac {1} {2}} z} {1 + {\ frac {1} {2}} z - {\ cfrac {{\ frac {1} {3}} z} {1 + {\ frac {1} {3}} z - {\ cfrac {{\ frac {1 } {4}} z} {1 + {\ frac {1} {4}} z- \ ddots}}}}}}}}}. \,}
Prin aplicarea unei transformări echivalente care constă în simplificarea fracțiilor, expresia din acest exemplu este simplificată în continuare
- {\ displaystyle e ^ {z} = {\ cfrac {1} {1 - {\ cfrac {z} {1 + z - {\ cfrac {z} {2 + z - {\ cfrac {2z} {3 + z - {\ cfrac {3z} {4 + z- \ ddots}}}}}}}}}}} \,}
după aceea, cu siguranță această fracție continuă converge uniform pe fiecare domeniu delimitat în planul complex, deoarece este echivalent cu seria de putere pentru și z .
Logaritmul natural
Se cunoaște seria Taylor pentru ramura principală a funcției logaritme naturale într-un vecinătate de z = 1:
- {\ displaystyle \ log (1 + z) = z - {\ frac {z ^ {2}} {2}} + {\ frac {z ^ {3}} {3}} - {\ frac {z ^ { 4}} {4}} + \ cdots = \ sum _ {n = 1} ^ {\ infty} {\ frac {(-1) ^ {n + 1} z ^ {n}} {n}}. \ ,}
Această serie converge când | z | <1 și poate fi, de asemenea, exprimat ca o sumă de produse: [3]
- {\ displaystyle \ log (1 + z) = z + (z) \ left ({\ frac {-z} {2}} \ right) + (z) \ left ({\ frac {-z} {2} } \ right) \ left ({\ frac {-2z} {3}} \ right) + (z) \ left ({\ frac {-z} {2}} \ right) \ left ({\ frac {- 2z} {3}} \ right) \ left ({\ frac {-3z} {4}} \ right) + \ cdots}
Aplicând formula fracției continue a lui Euler la această expresie pe care o avem
- {\ displaystyle \ log (1 + z) = {\ cfrac {z} {1 - {\ cfrac {\ frac {-z} {2}} {1 + {\ frac {-z} {2}} - { \ cfrac {\ frac {-2z} {3}} {1 + {\ frac {-2z} {3}} - {\ cfrac {\ frac {-3z} {4}} {1 + {\ frac {- 3z} {4}} - \ ddots}}}}}}}}}
și apoi aplicând o transformare echivalentă pentru a simplifica toate rezultatele fracțiilor
- {\ displaystyle \ log (1 + z) = {\ cfrac {z} {1 + {\ cfrac {z} {2-z + {\ cfrac {2 ^ {2} z} {3-2z + {\ cfrac {3 ^ {2} z} {4-3z + \ ddots}}}}}}}}}
Această fracție continuă converge când | z | <1 deoarece este echivalent cu seria din care a fost obținut. [3]
Funcțiile trigonometrice
Seria Taylor a funcției sinus converge pe întregul plan complex și poate fi exprimată ca suma produselor.
- {\ displaystyle {\ begin {align} \ sin x = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} {\ frac {(-1) ^ {n}} {(2n + 1)!}} x ^ {2n + 1} & = x - {\ frac {x ^ {3}} {3!}} + {\ Frac {x ^ {5}} {5!}} - {\ frac {x ^ {7} } {7!}} + {\ Frac {x ^ {9}} {9!}} - \ cdots \\ [8pt] & = x + (x) \ left ({\ frac {-x ^ {2} } {2 \ cdot 3}} \ right) + (x) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ { 2}} {4 \ cdot 5}} \ right) + (x) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {4 \ cdot 5}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {6 \ cdot 7}} \ right) + \ cdots \ end {align}}}
Se poate aplica formula fracției continue a lui Euler
- {\ displaystyle {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {4 \ cdot 5}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} {4 \ cdot 5}} - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {6 \ cdot 7}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} {6 \ cdot 7}} - \ ddots}}}}}} }}
O transformare echivalentă poate fi apoi utilizată pentru a simplifica numitorii:
- {\ displaystyle \ sin x = {\ cfrac {x} {1 + {\ cfrac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3-x ^ {2} + {\ cfrac {2 \ cdot 3x ^ {2} } {4 \ cdot 5-x ^ {2} + {\ cfrac {4 \ cdot 5x ^ {2}} {6 \ cdot 7-x ^ {2} + \ ddots}}}}}}}}}
Același raționament poate fi aplicat funcției cosinusului :
- {\ displaystyle {\ begin {align} \ cos x = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} {\ frac {(-1) ^ {n}} {(2n)!}} x ^ {2n } & = 1 - {\ frac {x ^ {2}} {2!}} + {\ Frac {x ^ {4}} {4!}} - {\ frac {x ^ {6}} {6! }} + {\ frac {x ^ {8}} {8!}} - \ cdots \\ [8pt] & = 1 + {\ frac {-x ^ {2}} {2}} + \ left ({ \ frac {-x ^ {2}} {2}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {3 \ cdot 4}} \ right) + \ left ({\ frac {- x ^ {2}} {2}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {3 \ cdot 4}} \ right) \ left ({\ frac {-x ^ {2} } {5 \ cdot 6}} \ right) + \ cdots \\ [8pt] & = {\ cfrac {1} {1 - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {2}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} {2}} - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {3 \ cdot 4}} {1 + {\ frac {-x ^ {2 }} {3 \ cdot 4}} - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {5 \ cdot 6}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} {5 \ cdot 6 }} - \ ddots}}}}}}} \ end {align}}}
de la care
- {\ displaystyle \ cos x = {\ cfrac {1} {1 + {\ cfrac {x ^ {2}} {2-x ^ {2} + {\ cfrac {2x ^ {2}} {3 \ cdot 4 -x ^ {2} + {\ cfrac {3 \ cdot 4x ^ {2}} {5 \ cdot 6-x ^ {2} + \ ddots}}}}}}}}.}
Funcțiile trigonometrice inverse
Funcțiile trigonometrice inverse pot fi reprezentate ca fracții continue.
- {\ displaystyle {\ begin {align} \ sin ^ {- 1} x = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} {\ frac {(2n-1) !!} {(2n) !!} } \ cdot {\ frac {x ^ {2n + 1}} {2n + 1}} & = x + \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) {\ frac {x ^ {3} } {3}} + \ left ({\ frac {1 \ cdot 3} {2 \ cdot 4}} \ right) {\ frac {x ^ {5}} {5}} + \ left ({\ frac { 1 \ cdot 3 \ cdot 5} {2 \ cdot 4 \ cdot 6}} \ right) {\ frac {x ^ {7}} {7}} + \ cdots \\ [8pt] & = x + x \ left ({\ frac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} \ right) + x \ left ({\ frac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} \ right) \ left ({ \ frac {(3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5}} \ right) + x \ left ({\ frac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} \ right) \ left ({ \ frac {(3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5}} \ right) \ left ({\ frac {(5x) ^ {2}} {6 \ cdot 7}} \ right) + \ cdots \ \ [8pt] & = {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {\ frac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} {1 + {\ frac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3}} - {\ cfrac {\ frac {(3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5}} {1 + {\ frac {(3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5}} - {\ cfrac {\ frac {(5x) ^ {2}} {6 \ cdot 7}} {1 + {\ frac {(5x) ^ {2}} {6 \ cdot 7}} - \ ddots}} }}}}}} \ end {align}}}
Cu o transformare echivalentă se obține
- {\ displaystyle \ sin ^ {- 1} x = {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3 + x ^ {2} - {\ cfrac {2 \ cdot 3 (3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5+ (3x) ^ {2} - {\ cfrac {4 \ cdot 5 (5x ^ {2})} {6 \ cdot 7+ (5x ^ {2 }) - \ ddots}}}}}}}}.}
Fracția continuată pentru funcția arctangentă este simplă:
- {\ displaystyle {\ begin {align} \ tan ^ {- 1} x = \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} (- 1) ^ {n} {\ frac {x ^ {2n + 1} } {2n + 1}} & = x - {\ frac {x ^ {3}} {3}} + {\ frac {x ^ {5}} {5}} - {\ frac {x ^ {7} } {7}} + \ cdots \\ [8pt] & = x + x \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {3}} \ right) + x \ left ({\ frac {-x ^ {2}} {3}} \ right) \ left ({\ frac {-3x ^ {2}} {5}} \ right) + x \ left ({\ frac {-x ^ {2}} { 3}} \ right) \ left ({\ frac {-3x ^ {2}} {5}} \ right) \ left ({\ frac {-5x ^ {2}} {7}} \ right) + \ cdots \\ [8pt] & = {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {\ frac {-x ^ {2}} {3}} {1 + {\ frac {-x ^ {2}} { 3}} - {\ cfrac {\ frac {-3x ^ {2}} {5}} {1 + {\ frac {-3x ^ {2}} {5}} - {\ cfrac {\ frac {-5x ^ {2}} {7}} {1 + {\ frac {-5x ^ {2}} {7}} - \ ddots}}}}}}}} \\ [8pt] & = {\ cfrac {x } {1 + {\ cfrac {x ^ {2}} {3-x ^ {2} + {\ cfrac {(3x) ^ {2}} {5-3x ^ {2} + {\ cfrac {(5x ) ^ {2}} {7-5x ^ {2} + \ ddots}}}}}}}}. \ End {align}}}
O fracție continuată pentru π
Putem folosi exemplele anterioare prin implicarea funcției arctangente pentru a construi o reprezentare ca o fracție continuă a lui π . Într-adevăr, putem observa asta
- {\ displaystyle \ tan ^ {- 1} (1) = {\ frac {\ pi} {4}},}
Apoi, punând x = 1 în rezultatul anterior, obținem imediat
- {\ displaystyle \ pi = {\ cfrac {4} {1 + {\ cfrac {1 ^ {2}} {2 + {\ cfrac {3 ^ {2}} {2 + {\ cfrac {5 ^ {2} } {2 + {\ cfrac {7 ^ {2}} {2+ \ ddots}}}}}}}}}}. \,}
Funcțiile hiperbolice
Amintind relația dintre funcțiile hiperbolice și funcțiile trigonometrice,
- {\ displaystyle \ sin ix = i \ sinh x}
- {\ displaystyle \ cos ix = \ cosh x,}
și a fi {\ displaystyle i ^ {2} = - 1,} următoarele fracții continue se obțin cu ușurință din cele scrise mai sus:
- {\ displaystyle \ sinh x = {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3 + x ^ {2} - {\ cfrac {2 \ cdot 3x ^ {2} } {4 \ cdot 5 + x ^ {2} - {\ cfrac {4 \ cdot 5x ^ {2}} {6 \ cdot 7 + x ^ {2} - \ ddots}}}}}}}}}
- {\ displaystyle \ cosh x = {\ cfrac {1} {1 - {\ cfrac {x ^ {2}} {2 + x ^ {2} - {\ cfrac {2x ^ {2}} {3 \ cdot 4 + x ^ {2} - {\ cfrac {3 \ cdot 4x ^ {2}} {5 \ cdot 6 + x ^ {2} - \ ddots}}}}}}}}.}
Funcțiile hiperbolice inverse
Funcțiile hiperbolice inverse sunt legate de funcțiile trigonometrice inverse într-un mod similar cu modul în care sunt funcțiile hiperbolice și funcțiile trigonometrice,
- {\ displaystyle \ sin ^ {- 1} ix = i \ sinh ^ {- 1} x}
- {\ displaystyle \ tan ^ {- 1} ix = i \ tanh ^ {- 1} x,}
și următoarele fracții continue sunt ușor de obținut:
- {\ displaystyle \ sinh ^ {- 1} x = {\ cfrac {x} {1 + {\ cfrac {x ^ {2}} {2 \ cdot 3-x ^ {2} + {\ cfrac {2 \ cdot 3 (3x) ^ {2}} {4 \ cdot 5- (3x) ^ {2} + {\ cfrac {4 \ cdot 5 (5x ^ {2})} {6 \ cdot 7- (5x ^ {2 }) + \ ddots}}}}}}}}}}
- {\ displaystyle \ tanh ^ {- 1} x = {\ cfrac {x} {1 - {\ cfrac {x ^ {2}} {3 + x ^ {2} - {\ cfrac {(3x) ^ {2 }} {5 + 3x ^ {2} - {\ cfrac {(5x) ^ {2}} {7 + 5x ^ {2} - \ ddots}}}}}}}}.}
Notă
- ^ Leonhard Euler , 18 ani , în Introductio in analysin infinitorum , I, 1748.
- ^ Zidul 1948, p. 17
- ^ a b Această serie converge pentru | z | <1, pentru criteriul Abel (aplicat seriei de jurnale (1 - z )).
Bibliografie
- HS Wall, Teoria analitică a fracțiilor continuate , D. Van Nostrand Company, Inc., 1948; retipărit (1973) de Chelsea Publishing Company ISBN 0-8284-0207-8 .
Elemente conexe