가우스의 연속분수

Gauss's continued fraction

복잡한 분석에서, Gauss의 지속 분율초기하함수에서 파생된 연속 분수의 특정 등급이다.그것은 수학에 알려진 최초의 지속적인 분석의 하나였으며, 그것은 몇 가지 중요한 기본적인 기능들뿐만 아니라 좀 더 복잡한 초월적 기능들을 나타내기 위해 사용될 수 있다.

역사

램버트는 1768년에 이 형태로 계속되는 분수의 몇 가지 예를 발표하였고, 오일러라그랑주 모두 유사한 구조를 조사하였으나,[1] 1813년에 다음 절에서 설명한 대수학을 활용하여 이 지속 분수의 일반적인 형태를 추론한 사람은 칼 프리드리히 가우스였다.[2]

비록 가우스는 이 계속되는 분수의 형태를 주었지만, 그는 그것의 융합 성질에 대한 증거를 제시하지 않았다.베른하르트 리만[3] L.W.토메는[4] 부분적인 결과를 얻었지만, 이 지속적인 분수가 수렴되는 지역에 대한 마지막 단어는 1901년에야 에드워드 버르블렉에 의해 주어졌다.[5]

파생

, 2,을(를) 분석 함수의 순서가 되도록 한다.

모든 > 에 대해 는 상수임.

그러면

설정 = / - 1,

그렇게

이 광고 infinitum을 반복하면 지속적인 부분 식이 생성된다.

In Gauss's continued fraction, the functions are hypergeometric functions of the form , , and , and the equations }은는) 매개 변수가 정수 양에 따라 다른 함수 사이의 ID로 발생한다.이러한 정체성은 예를 들어 시리즈를 확장하고 계수를 비교하거나, 파생상품을 여러 가지 방법으로 취하여 생성된 방정식에서 제거함으로써 여러 가지 방법으로 증명될 수 있다.

시리즈1 F

가장 간단한 경우는 다음과 같다.

ID부터 시작

우리가 가져도 좋다

부여

, 또는

이 팽창은 두 수렴성 계열의 비율에 의해 정의된 용형 함수로 수렴된다(물론, a가 0도 아니고 음의 정수도 아니다).

시리즈1 F

다음 사건은 다음과 같다.

그 두 정체성은

교대로 사용되다

내버려두다

This gives where ){(4}={\ 생산 생산 중.

, 또는

유사하게

, 또는

( 0; z)= 1 1}{1}( a를 0으로 설정하고 b + 1을 첫 번째 연속 분수에 b로 교체하면 다음과 같은 단순한 특수 사례가 발생한다.

시리즈1 F

최종 사건은 다음과 같다.

다시, 두 개의 정체성이 번갈아 사용된다.

이것들은 a와 b가 서로 교환된 것과 본질적으로 동일한 정체성이다.

내버려두다

This gives where , producing

, 또는

( , b; z)= 1 1}{ a를 0으로 설정하고 c + 1을 c로 교체하면 다음과 같은 지속적인 분수의 단순화된 특수 사례가 제공된다.

수렴 특성

이 절에서 하나 이상의 파라미터가 음의 정수인 경우는 제외된다. 이러한 경우 초기하계 영상 시리즈가 정의되지 않았거나 다항식이기 때문에 연속 분수가 종료되기 때문이다.다른 사소한 예외도 제외된다.

케이스 }F_11}{1}:{1}{11}의 는 어디에서나 수렴되므로 왼쪽의 분율은 용형함수다.오른쪽의 지속적인 분수는 이 함수의 을 포함하지 않는 닫히고 경계된 집합에서 균일하게 수렴된다.[6]

케이스 }의 경우 시리즈의 수렴 반경은 1이고 왼손의 분율은 이 원 내의 용형함수다.오른쪽의 계속되는 분수는 이 원 안의 모든 곳에 있는 함수로 수렴될 것이다.

원 바깥에서, 계속 분수는 +1에서 무한대가 제거된 지점까지 양의 실제 축이 있는 복잡한 평면에 대한 함수의 분석적 연속성을 나타낸다.대부분의 경우 +1은 분기점이고 +1에서 양의 무한대로의 선은 이 기능을 위한 분기점이다.계속되는 분수는 이 영역의 메로모르픽 함수로 수렴되며, 폴을 포함하지 않는 이 영역의 닫히고 경계된 하위 집합에 균일하게 수렴된다.[7]

적용들

시리즈1 F

우리는 가지고 있다.

그렇게

이 특별한 팽창은 램버트의 지속적인 분수로 알려져 있으며 1768년으로 거슬러 올라간다.[8]

그것은 쉽게 따라온다.

tanh의 확장n e가 모든 정수 n에 대해 비이성적이라는 것을 증명하는 데 사용될 수 있다(아마도 e초월적이라는 것을 증명하기에 충분하지 않다).황갈색의 팽창은 bert이 비이성적이라는 것을 증명하기 위해 램버트와 레전드르 둘 다에 의해 이용되었다.

Besel {{\은(는) 쓸 수 있다.

그것으로부터.

이 공식들은 또한 모든 복잡한 z에도 유효하다.

시리즈1 F

= 1 ; ) e^{}( 1/ = -

어떤 조작으로, 이것은 e의 단순하고 지속적인 분수표현을 증명하는데 사용될 수 있다.

에러 함수 erf (z)는 다음을 통해 제공됨

또한 Kummer의 초지하 함수의 관점에서 계산될 수 있다.

Gauss의 지속적인 분수를 적용함으로써, 모든 복잡한 숫자 z에 유효한 유용한 확장을 얻을 수 있다.[9]

프레스넬 통합, 도슨 함수불완전한 감마 함수에 대해 지속적인 분율 확장을 도출하기 위해 유사한 주장을 할 수 있다.인수의 단순한 버전은 지수함수의 유용한 연속적인 두 가지 분율 확장을 산출한다.[10]

시리즈1 F

보낸 사람

0의 근방에 있는 아크탄 z의 테일러 시리즈 확장이란 것은 쉽게 알 수 있다.

이 정체성에 가우스의 지속적인 분수를 적용하여 확장을 발생시킬 수 있다.

절단된 복잡한 평면의 역 접선 함수의 주 분기로 수렴되며, 컷은 상상의 축을 따라 i에서 무한의 점, -i에서 무한의 점까지 확장된다.[11]

이 특히 지속되는 분수는 z = 1일 때 상당히 빠르게 수렴되며, 9번째 수렴에 의해 소수점 places/4에서 7자리까지 값이 주어진다.해당 시리즈

훨씬 더 천천히 수렴하며, 100만 개 이상의 항이 있어야 소수점 7자리 정확도를 얻을 수 있다.[12]

이 인수의 변형은 자연 로그, 아크신 함수일반화된 이항렬에 대한 지속적인 분율 확장을 생성하는 데 사용될 수 있다.

메모들

  1. ^ 존스 & 스론(1980) 페이지 5
  2. ^ C. F. 가우스(1813), 베르케, 제3권 134–38.
  3. ^ B. 리만(1863년), 베르케의 "Frazionione continua infinita의 세리에 아이페르지오메트리(Sullo svolgimento del Quoziente di quergeomethe enough infinita)" 페이지 400–406(후습편).
  4. ^ L. W. Thomé(1867), "Uber die Kettenbruchentwicklung des Gauß'scen'schen Incentienten...," Jour. Für Math. 67 페이지 299–309.
  5. ^ E. B. Van Vleck(1901) "가우스 분율과 기타 분수의 연속적인 분수의 수렴에 대하여"수학 연보, 제3권 1-18호.
  6. ^ 존스 & 스론(1980) 페이지 206
  7. ^ 벽, 1973년 (p. 339)
  8. ^ 벽 (1973) 페이지 349.
  9. ^ 존스 & 스론(1980) 페이지 208.
  10. ^ Gauss의 연속 분수z e를 확장하는 방법은 기사 Padé 표의 예를 참조하십시오.
  11. ^ 벽 (1973) 페이지 343.i와 -i는 역 탄젠트 함수의 분기점이라는 점에 유의하십시오.
  12. ^ 존스 & 스론(1980) 페이지 202.

참조

  • Jones, William B.; Thron, W. J. (1980). Continued Fractions: Theory and Applications. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. pp. 198–214. ISBN 0-201-13510-8.
  • Wall, H. S. (1973). Analytic Theory of Continued Fractions. Chelsea Publishing Company. pp. 335–361. ISBN 0-8284-0207-8.
    (이것은 D가 원래 발행한 책을 재인쇄한 것이다. 반 노스트랜드 컴퍼니, 1948년.)
  • Weisstein, Eric W. "Gauss's Continued Fraction". MathWorld.