§A4.11連分数

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単純連分数とは、整数a0a_0と正の整数a1,a2,…a_1,a_2,\ldotsを用いて[a0;a1,a2,…]=a0+1a1+1a2+⋯[a_0;a_1,a_2,\ldots]=a_0+\cfrac1{a_1+\cfrac1{a_2+\cdots}}と表すものです。 有限表示では末項をak≥2a_k\ge2とする規約を採用します。

4330=1+12+13+14\frac{43}{30} = 1 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{3 + \cfrac{1}{4}}}

のように、「整数部分+(11/残り)」を繰り返して数を書き表します。有限表示ではa0∈Za_0\in\mathbb Z、ai∈Z>0a_i\in\mathbb Z_{>0}(i≥1i\ge1)であり、現れる整数を並べて[1;2,3,4][1; 2, 3, 4]とも書きます。小数展開が「1010等分を繰り返す」人工的な物差しなのに対し、連分数はその数自身の構造に沿った、いわば天然の展開です。

1 互除法と同じもの

4330\frac{43}{30}の展開を作ってみます。整数部分を取り出しては逆数を取る、の繰り返しです。

4330=1+1330=1+13013,3013=2+413=2+1134,134=3+14.\frac{43}{30} = 1 + \frac{13}{30} = 1 + \frac{1}{\frac{30}{13}}, \qquad \frac{30}{13} = 2 + \frac{4}{13} = 2 + \frac{1}{\frac{13}{4}}, \qquad \frac{13}{4} = 3 + \frac{1}{4}.

ここで現れた整数1,2,3,41, 2, 3, 4を、ユークリッドの互除法と見比べてください:

43=1⋅30+13,30=2⋅13+4,13=3⋅4+1,4=4⋅1.43 = 1 \cdot 30 + 13, \qquad 30 = 2 \cdot 13 + 4, \qquad 13 = 3 \cdot 4 + 1, \qquad 4 = 4 \cdot 1.

互除法の商の列が、そのまま連分数の項です。 最大公約数を求めるあの計算は、実は数を連分数に展開する計算でもあったわけです。分数(有理数)なら互除法は必ず止まるので、連分数も有限で終わります。

2 無理数は無限連分数になる

では止まらない数、つまり無理数はどうなるか。2\sqrt2でやってみると、2=1+(2−1)=1+12+1=1+12+(2−1)\sqrt2 = 1 + (\sqrt2 - 1) = 1 + \dfrac{1}{\sqrt2 + 1} = 1 + \dfrac{1}{2 + (\sqrt2 - 1)}—— 括弧の中にさっきと同じ2−1\sqrt2 - 1 が現れて、以後まったく同じ手順が無限に繰り返されます。

2=[1; 2,2,2,… ],1+52=[1; 1,1,1,… ]\sqrt2 = [1;\, 2, 2, 2, \dots], \qquad \frac{1 + \sqrt5}{2} = [1;\, 1, 1, 1, \dots]

黄金比が「すべての項が11」という一番簡素な無限連分数になるのは、x=1+1xx = 1 + \frac1xを満たすからです。単純連分数が最終的に周期的になる無理数は、実二次無理数、すなわち有理数係数の2次方程式の無理な解(同値に、Q\mathbb Q上の次数が2の実数)に限られます。したがって「平方根を1回含む形」に限定されるわけではありません。

3 途中で切ると、近似分数の性質が見える

無限連分数を途中で打ち切ると分数が得られます(近似分数)。これがただの近似ではありません。円周率π=[3; 7,15,1,292,… ]\pi = [3;\, 7, 15, 1, 292, \dots]で試すと、

[3;7]=227=3.1428…,[3;7,15,1]=355113=3.1415929…[3; 7] = \frac{22}{7} = 3.1428\dots, \qquad [3; 7, 15, 1] = \frac{355}{113} = 3.1415929\dots

227\frac{22}{7}はアルキメデスの近似(はさみうちの閑話休題で登場したもの)、355113\frac{355}{113}は 5世紀の中国で祖沖之が見つけた驚異の分数で、たった3桁の分母で小数6桁まで合います。対象を無理数α\alphaとし、その単純連分数の第kk収束分数をpk/qkp_k/q_kとします。収束分数(近似分数)は、一般の分数より誤差が小さくなりやすいだけでなく、厳密には次のような「第二種の最良近似」性を持ちます。0<q<qk+10<q<q_{k+1}を満たす整数p,qp,qについて、p/q≠pk/qkp/q\ne p_k/q_kなら∣qkα−pk∣≤∣qα−p∣|q_k\alpha-p_k|\le |q\alpha-p|です(添字の端や等号の扱いは定理の規約に従います)。ここではこの定理を証明せず、近似の候補を系統的に作れることだけを使います。知っていると、π≈355113\pi \approx \frac{355}{113}のような名近似を自分で量産できるわけです(電卓で「逆数を取っては整数部分を引く」を繰り返すだけ。一度やってみてください)。

閑話休題:うるう年は連分数が決めている 1年(地球の公転周期)は約365.2422365.2422日で、365365日の暦とは毎年0.24220.2422日ずつずれます。このずれをうるう年で埋めたい——つまり「何年に何回うるう年を入れるか」という分数で0.24220.2422を近似したい。これはまさに近似分数の出番で、0.2422=[0; 4,7,1,3,… ]0.2422 = [0;\, 4, 7, 1, 3, \dots]から

14 → 729 → 833 → 31128 → ⋯\frac14 \ \to\ \frac{7}{29} \ \to\ \frac{8}{33} \ \to\ \frac{31}{128} \ \to\ \cdots

最初の14\frac14(4年に1回)がユリウス暦。11世紀ペルシャの詩人にして数学者ウマル・ハイヤームが設計した暦は3番目の833\frac{8}{33}(33年に8回)を採用しており、実は現行のグレゴリオ暦(400年に97回——運用しやすさ優先の妥協案で、連分数の近似列には載っていません)より正確です。あなたのカレンダーの4年周期は、公転周期の連分数展開の第1項なのです。

同じ技は機械にも使われました。17世紀、ホイヘンスは太陽系の模型(プラネタリウム)を歯車で作る際、惑星の公転周期の比(無理数的な値)を歯数の比で近似する必要に迫られ、連分数で「小さい歯数で最良の比」を選んでいます。天体の運行も、うるう年も、歯車も——「無理数を分数で上手に嘘をつく」技術の上で回っています。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

単純連分数の規約 a₀∈ℤ、aᵢ∈ℤ₊(i≥1、有限表示の末項は2以上)に従い、次の分数を[a0;a1,a2,…][a_0; a_1, a_2, \ldots] の形に展開せよ。

解法の型整数部分を引いて逆数を取る(=互除法の商を並べる)

  1. (1)119\dfrac{11}{9}
  2. (2)7255\dfrac{72}{55}
  3. (3)75\dfrac{7}{5}
  4. (4)5524\dfrac{55}{24}
  5. (5)114\dfrac{11}{4}

a0∈Za_{0}\in\mathbb{Z}、aᵢ∈Z\in\mathbb{Z}₊(i≥1i\ge1)の単純連分数の値を、既約分数で答えよ。

解法の型一番内側の分母から外へ向かって通分する

  1. (1)1+13+121 + \cfrac{1}{3 + \cfrac{1}{2}}
  2. (2)2+13+14+132 + \cfrac{1}{3 + \cfrac{1}{4 + \cfrac{1}{3}}}
  3. (3)3+14+143 + \cfrac{1}{4 + \cfrac{1}{4}}
  4. (4)3+12+133 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{3}}
  5. (5)3+12+13+133 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{3 + \cfrac{1}{3}}}

演習

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