Formula fracției continue a lui Euler

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

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.

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

atunci această egalitate poate fi dovedită prin inducție

.

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 poate fi rescris ca o fracție continuă.

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.

Aplicarea formulei fracției Euler continuate este simplă:

Prin aplicarea unei transformări echivalente care constă în simplificarea fracțiilor, expresia din acest exemplu este simplificată în continuare

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:

Această serie converge când | z | <1 și poate fi, de asemenea, exprimat ca o sumă de produse: [3]

Aplicând formula fracției continue a lui Euler la această expresie pe care o avem

și apoi aplicând o transformare echivalentă pentru a simplifica toate rezultatele fracțiilor

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.

Se poate aplica formula fracției continue a lui Euler

O transformare echivalentă poate fi apoi utilizată pentru a simplifica numitorii:

Același raționament poate fi aplicat funcției cosinusului :

de la care

Funcțiile trigonometrice inverse

Funcțiile trigonometrice inverse pot fi reprezentate ca fracții continue.

Cu o transformare echivalentă se obține

Fracția continuată pentru funcția arctangentă este simplă:

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

Apoi, punând x = 1 în rezultatul anterior, obținem imediat

Funcțiile hiperbolice

Amintind relația dintre funcțiile hiperbolice și funcțiile trigonometrice,

și a fi următoarele fracții continue se obțin cu ușurință din cele scrise mai sus:

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,

și următoarele fracții continue sunt ușor de obținut:

Notă

  1. ^ Leonhard Euler , 18 ani , în Introductio in analysin infinitorum , I, 1748.
  2. ^ Zidul 1948, p. 17
  3. ^ 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

Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică