Диофантово приближение
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2023 г. ) |
В теории чисел изучение диофантовой аппроксимации связано с приближением действительных чисел рациональными числами . Назван в честь Диофанта Александрийского .
Первая проблема заключалась в том, чтобы узнать, насколько хорошо действительное число можно аппроксимировать рациональными числами. Для этой задачи рациональное число p / q является «хорошим» приближением действительного числа α, если абсолютное значение разности между p / q и α может не уменьшаться, если p / q заменить другим рациональным числом с меньшим знаменатель. Эта проблема была решена в XVIII веке с помощью цепных дробей .
Зная «наилучшие» приближения данного числа, основная проблема в этой области состоит в том, чтобы найти точные верхние и нижние границы указанной выше разности, выраженной как функция знаменателя . Похоже, что эти границы зависят от природы аппроксимируемых действительных чисел: нижняя граница аппроксимации рационального числа другим рациональным числом больше, чем нижняя граница для алгебраических чисел , которая сама по себе больше, чем нижняя граница для все действительные числа. Таким образом, действительное число, которое можно аппроксимировать лучше, чем оценка для алгебраических чисел, безусловно, является трансцендентным числом .
Эти знания позволили Лиувиллю в 1844 году получить первое явное трансцендентное число. доказательства трансцендентности π и e Позднее аналогичным методом были получены .
Диофантовые приближения и теория трансцендентных чисел — очень близкие области, имеющие много общих теорем и методов. Диофантовые приближения также имеют важные приложения при изучении диофантовых уравнений .
2022 года Медаль Филдса была вручена Джеймсу Мейнарду за работу по диофантовой аппроксимации.
действительного числа диофантовы приближения Лучшие
Учитывая действительное число α , существует два способа определить наилучшее диофантово приближение α . Для первого определения [1] рациональное число p / q является лучшим диофантовым приближением числа α, если
для любого рационального числа p' / q', отличного от p / q, такого, что 0 < q ′ ≤ q .
Для второго определения [2] [3] приведенное выше неравенство заменяется на
Наилучшее приближение для второго определения также является лучшим приближением для первого, но обратное, вообще говоря, неверно. [4]
Теория цепных дробей позволяет вычислять наилучшие приближения действительного числа: для второго определения они являются подходящими дробями к его выражению в виде правильной цепной дроби. [3] [4] [5] Для первого определения необходимо рассмотреть также полусходящиеся . [1]
Например, константа e = 2,718281828459045235... имеет (правильное) представление цепной дроби.
Его лучшие приближения для второго определения:
в то время как для первого определения они
Мера точности приближений [ править ]
Очевидная мера точности диофантовой аппроксимации действительного числа α рациональным числом p / q равна Однако эту величину всегда можно сделать сколь угодно малой, увеличив абсолютные значения p и q ; таким образом, точность приближения обычно оценивается путем сравнения этой величины с некоторой функцией φ знаменателя q , обычно его отрицательной степени.
Для такого сравнения могут потребоваться верхние или нижние границы точности. Нижняя граница обычно описывается теоремой типа «для каждого элемента α некоторого подмножества действительных чисел и каждого рационального числа p / q мы имеем ". В некоторых случаях "всякое рациональное число" может быть заменено "всеми рациональными числами, кроме их конечного числа", что равнозначно умножению φ на некоторую константу, зависящую от α .
Для верхних оценок необходимо учитывать, что не все «лучшие» диофантовы приближения, обеспечиваемые подходящими функциями, могут иметь желаемую точность. Поэтому теоремы принимают вид: «для каждого элемента α некоторого подмножества действительных чисел существует бесконечно много рациональных чисел p / q таких, что ".
Плохо аппроксимируемые числа [ править ]
— Плохо аппроксимируемое число это x , для которого существует положительная константа c такая, что для всех рациональных p / q имеем
Плохо аппроксимируемые числа — это именно числа с ограниченными частичными частными . [6]
Эквивалентно, число плохо аппроксимируется тогда и только тогда, когда его константа Маркова ограничена.
Нижние оценки диофантовых приближений [ править ]
Приближение одного рационального числа другими рациональными числами [ править ]
Рациональное число может быть очевидно и полностью аппроксимировано выражением для каждого положительного целого числа i .
Если у нас есть
потому что является положительным целым числом и, следовательно, не ниже 1. Таким образом, точность аппроксимации плохая по сравнению с иррациональными числами (см. следующие разделы).
Можно заметить, что в предыдущем доказательстве используется вариант принципа «ящика» : неотрицательное целое число, отличное от 0, не меньше 1. Это, казалось бы, тривиальное замечание используется почти в каждом доказательстве нижних оценок диофантовых приближений, даже в самые изысканные.
Таким образом, рациональное число прекрасно аппроксимируется само по себе, но плохо аппроксимируется любым другим рациональным числом.
Лиувилля чисел, результат Приближение алгебраических
В 1840-х годах Жозеф Лиувилл получил первую нижнюю оценку аппроксимации алгебраических чисел : если x — иррациональное алгебраическое число степени n над рациональными числами, то существует константа c ( x ) > 0 такая, что
справедливо для всех целых чисел p и q, где q > 0 .
Этот результат позволил ему создать первый доказанный пример трансцендентного числа — константу Лиувилля.
что не удовлетворяет теореме Лиувилля, какая бы степень n ни была выбрана.
Эта связь между диофантовыми приближениями и теорией трансцендентных чисел сохраняется и по сей день. Многие методы доказательства являются общими для этих двух областей.
Приближение алгебраических чисел, теорема Туэ – Рота – Зигеля
За более чем столетие предпринималось множество попыток улучшить теорему Лиувилля: каждое улучшение оценки позволяет нам доказать, что все больше чисел являются трансцендентными. Основные улучшения принадлежат Акселю Туэ ( 1909 ), Сигелу ( 1921 ), Фримену Дайсону ( 1947 ) и Клаусу Роту ( 1955 ), что в конечном итоге привело к теореме Туэ-Зигеля-Рота: если x - иррациональное алгебраическое число и ε (маленькое) положительное действительное число, то существует положительная константа c ( x , ε ) такая, что
выполняется для любого целого числа p и q такого, что q > 0 .
= 0 теорема была бы неверной. В некотором смысле этот результат является оптимальным, поскольку при ε Это непосредственное следствие верхних оценок, описанных ниже.
Одновременные приближения алгебраических чисел [ править ]
Впоследствии Вольфганг М. Шмидт обобщил это на случай одновременных приближений, доказав, что: Если x 1 , ..., x n — алгебраические числа такие, что 1, x 1 , ..., x n над линейно независимы рациональными числами. чисел и ε — любое данное положительное действительное число, то существует только конечное число рациональных n -кортежей ( p 1 / q , ..., p n / q ) таких, что
нельзя убрать ε Опять же, этот результат оптимален в том смысле, что из показателя степени .
Эффективные границы [ править ]
Все предыдущие нижние оценки неэффективны в том смысле, что доказательства не дают никакого способа вычислить константу, подразумеваемую в утверждениях. Это означает, что нельзя использовать результаты или их доказательства для получения оценок размера решений родственных диофантовых уравнений. Однако эти методы и результаты часто можно использовать для ограничения количества решений таких уравнений.
Тем не менее, уточнение теоремы Бейкера Фельдманом дает эффективную оценку: если x — алгебраическое число степени n над рациональными числами, то существуют эффективно вычислимые константы c ( x ) > 0 и 0 < d ( x ) < n такие, что что
справедливо для всех целых рациональных чисел.
Однако, как и в любой эффективной версии теоремы Бейкера, константы d и 1/ c настолько велики, что этот эффективный результат невозможно использовать на практике.
границы диофантовых Верхние приближений
Общая верхняя граница [ править ]
Первым важным результатом о верхних границах диофантовых приближений является аппроксимационная теорема Дирихле , из которой следует, что для каждого иррационального числа α существует бесконечно много дробей. такой, что
Отсюда сразу следует, что нельзя подавить ε в формулировке теоремы Туэ-Зигеля-Рота.
Адольф Гурвиц (1891) [7] усилил этот результат, доказав, что для каждого иррационального числа α существует бесконечно много дробей такой, что
Поэтому, является верхней границей диофантовых приближений любого иррационального числа.Константу в этом результате нельзя улучшить без исключения некоторых иррациональных чисел (см. ниже).
Эмиль Борель (1903) [8] показал, что фактически для любого иррационального числа α и трех последовательных подходящих чисел α по крайней мере одно должно удовлетворять неравенству, данному в теореме Гурвица.
Эквивалентные действительные числа [ править ]
Определение : Два действительных числа. называются эквивалентными [9] [10] если есть целые числа с такой, что:
Таким образом, эквивалентность определяется целочисленным преобразованием Мёбиуса действительных чисел или членом модульной группы. , набор обратимых матриц 2 × 2 над целыми числами. Каждое рациональное число эквивалентно 0; таким образом, рациональные числа являются классом эквивалентности для этого отношения.
Эквивалентность можно прочитать в представлении правильной цепной дроби, как показывает следующая теорема Серре :
Теорема : Два иррациональных числа x и y эквивалентны тогда и только тогда, когда существуют два натуральных числа h и k такие, что правильных цепных дробей представления для x и y
удовлетворить
для каждого неотрицательного целого числа i . [11]
Таким образом, за исключением конечной начальной последовательности, эквивалентные числа имеют одинаковое представление цепной дроби.
Эквивалентные числа аппроксимируются в одинаковой степени, в том смысле, что они имеют одну и ту же константу Маркова .
Спектр Лагранжа [ править ]
Как было сказано выше, константу в теореме Бореля нельзя улучшить, как показал Адольф Гурвиц в 1891 году. [12] Позволять быть золотым сечением .Тогда для любой действительной константы c с существует только конечное число рациональных чисел p / q таких, что
Следовательно, улучшение может быть достигнуто только в том случае, если числа, эквивалентные исключены. Точнее: [13] [14] Для каждого иррационального числа , что не эквивалентно , существует бесконечно много дробей такой, что
Путем последовательных исключений — следующим необходимо исключить числа, эквивалентные — для все большего числа классов эквивалентности нижняя граница может быть дополнительно расширена.Значения, которые могут быть сгенерированы таким способом, представляют собой числа Лагранжа , которые являются частью спектра Лагранжа . Они сходятся к числу 3 и относятся к числам Маркова . [15] [16]
Хинчина о метрической диофантовой аппроксимации расширениях Теорема и
Позволять быть положительной действительной функцией натуральных чисел (т. е. положительной последовательностью) такой, что является невозрастающим. Действительное число x (не обязательно алгебраическое) называется - аппроксимируем , если существует бесконечно много рациональных чисел p / q таких, что
Александр Хинчин доказал в 1926 году, что если ряд расходится, то почти каждое действительное число (в смысле меры Лебега ) есть -приближаемо, а если ряд сходится, то почти каждое действительное число не является -приблизительный. Круг идей, окружающих эту теорему и ее родственников, известен как метрическая диофантова аппроксимация или метрическая теория диофантова аппроксимация (не путать с «метрикой» высоты в диофантовой геометрии ) или метрическая теория чисел .
Даффин и Шеффер (1941) доказали обобщение результата Хинчина и сформулировали то, что сейчас известно как гипотеза Даффина-Шеффера об аналоге дихотомии Хинчина для общих, не обязательно убывающих последовательностей. . Бересневич и Велани (2006) доказали, что аналог гипотезы Даффина – Шеффера о мере Хаусдорфа эквивалентен исходной гипотезе Даффина – Шеффера, которая априори слабее.В июле 2019 года Димитрис Кукулопулос и Джеймс Мейнард объявили о доказательстве гипотезы. [17] [18]
размерность множеств исключительных Хаусдорфова
Важный пример функции к которой можно применить теорему Хинчина, является функция , где c > 1 — действительное число. Для этой функции соответствующий ряд сходится, и поэтому теорема Хинчина говорит нам, что почти каждая точка не является -приблизительный. Таким образом, набор чисел, -аппроксимируемый образует подмножество вещественной прямой нулевой меры Лебега. Теорема Ярника-Безиковича, принадлежащая В. Ярнику и А.С. Безиковичу , утверждает, что размерность Хаусдорфа этого множества равна . [19] В частности, набор чисел, -приблизительно для некоторых (известный как набор очень хорошо аппроксимируемых чисел ) имеет размерность Хаусдорфа единицу, а набор чисел, которые -приблизительно для всех (известное как множество чисел Лиувилля ) имеет нулевую размерность Хаусдорфа.
Другим важным примером является функция , где это действительное число. Для этой функции соответствующий ряд расходится, и поэтому теорема Хинчина говорит нам, что почти каждое число равно -приблизительный. Это то же самое, что сказать, что каждое такое число хорошо приближается , причем число называется хорошо приближаемым, если оно не плохо приближается. Таким образом, подходящий аналог теоремы Ярника-Безиковича должен касаться размерности Хаусдорфа множества плохо аппроксимируемых чисел. И действительно, В. Ярник доказал, что хаусдорфова размерность этого множества равна единице. Этот результат был улучшен В.М. Шмидтом , который показал, что множество плохо аппроксимируемых чисел несжимаемо , т.е. если есть последовательность билипшицевых отображений, то множество чисел x , для которых все они плохо аппроксимируются, имеют размерность Хаусдорфа один. Шмидт также обобщил теорему Ярника на более высокие размерности, что является значительным достижением, поскольку аргумент Ярника по сути одномерен и зависит от аппарата цепных дробей.
распределение Равномерное
Другая тема, получившая тщательное развитие, — это теория равномерного распределения mod 1 . Возьмем последовательность a 1 , a 2 действительных чисел ... и рассмотрим их дробные части . То есть, более абстрактно, посмотрим на последовательность в , который представляет собой круг. Для любого интервала I на окружности мы смотрим на долю элементов последовательности, которые лежат в нем, с точностью до некоторого целого числа N , и сравниваем ее с долей окружности, I. занимаемой Равномерное распределение означает, что в пределе по мере роста N доля попаданий на интервал стремится к «ожидаемому» значению. Герман Вейль доказал основной результат , показав, что он эквивалентен оценкам экспоненциальных сумм, образованных из последовательности. Это показало, что результаты диофантовой аппроксимации тесно связаны с общей проблемой сокращения в экспоненциальных суммах, которая возникает во всей аналитической теории чисел при оценке членов ошибок.
С равномерным распределением связана тема неравномерностей распределения , имеющая комбинаторный характер.
Алгоритмы [ править ]
Гротчел, Ловас и Шрейвер описывают алгоритмы поиска примерно наилучших диофантовых приближений как для отдельных действительных чисел, так и для набора действительных чисел. Последняя задача называется одновременной диофантовой аппроксимацией . [20] : Сек. 5.2
Нерешенные проблемы [ править ]
В диофантовом приближении все еще остаются просто сформулированные нерешенные проблемы, например гипотеза Литтлвуда и гипотеза одинокого бегуна .Также неизвестно, существуют ли алгебраические числа с неограниченными коэффициентами в разложении их цепной дроби.
Последние события [ править ]
В своем пленарном выступлении на Международном математическом конгрессе в Киото (1990) Григорий Маргулис изложил широкую программу, основанную на эргодической теории , позволяющую доказывать теоретико-числовые результаты, используя динамические и эргодические свойства действий подгрупп полупростых групп Ли . Работы Д. Клейнбока, Г. Маргулиса и их сотрудников продемонстрировали силу этого нового подхода к классическим проблемам в диофантовом приближении. Среди его заметных успехов - доказательство Маргулисом гипотезы Оппенгейма , существовавшей десятилетиями , с более поздними расширениями Дани и Маргулиса и Эскина-Маргулиса-Мозеса, а также доказательство гипотез Бейкера и Спринджука в диофантовых приближениях на многообразиях Клейнбоком и Маргулисом. различные обобщения приведенных выше результатов Александра Хинчина В рамках этой концепции были также получены в метрическом диофантовом приближении.
См. также [ править ]
- Теорема Давенпорта – Шмидта
- Теорема Даффина – Шеффера
- Хайльброннский набор
- Последовательность с низким расхождением
Примечания [ править ]
- ^ Jump up to: а б Хинчин 1997 , с. 21
- ^ Кассельс 1957 , с. 2
- ^ Jump up to: а б Ланг 1995 , с. 9
- ^ Jump up to: а б Хинчин 1997 , с. 24
- ^ Кассельс 1957 , стр. 5–8.
- ^ Бюжо 2012 , с. 245
- ^ Гурвиц 1891 , с. 279
- ^ Перрон 1913 , Глава 2, Теорема 15
- ^ Гурвиц 1891 , с. 284
- ^ Харди и Райт 1979 , Глава 10.11.
- ^ См. Перрон 1929 , глава 2, теорема 23, с. 63
- ^ Харди и Райт 1979 , с. 164
- ^ Кассельс 1957 , с. 11
- ^ Гурвиц 1891 г.
- ^ Кассельс 1957 , с. 18
- ^ См. Мишель Вальдшмидт: Введение в иррациональность и трансцендентность диофантовых методов. Архивировано 9 февраля 2012 г. в Wayback Machine , стр. 24–26.
- ^ Кукулопулос, Д.; Мейнард, Дж. (2019). «О гипотезе Даффина – Шеффера». arXiv : 1907.04593 [ math.NT ].
- ^ Сломан, Лейла (2019). «Новое доказательство решает 80-летнюю проблему иррациональных чисел» . Научный американец .
- ^ Берник и др. 2013 , с. 24
- ^ Гретшель, Мартин ; Ловас, Ласло ; Шрийвер, Александр (1993), Геометрические алгоритмы и комбинаторная оптимизация , Алгоритмы и комбинаторика, том. 2 (2-е изд.), Springer-Verlag, Берлин, номер номера : 10.1007/978-3-642-78240-4 , ISBN. 978-3-642-78242-8 , МР 1261419
Ссылки [ править ]
- Бересневич, Виктор; Велани, Санджу (2006). «Принцип массового переноса и гипотеза Даффина-Шеффера для мер Хаусдорфа». Анналы математики . 164 (3): 971–992. arXiv : math/0412141 . дои : 10.4007/анналы.2006.164.971 . S2CID 14475449 . Збл 1148.11033 .
- Берник, В.; Бересневич В.; Гетце, Ф.; Куксо, О. (2013). «Распределение алгебраических чисел и метрическая теория диофантова приближения». В Эйхельсбахере, Питер; Эльснер, Гвидо; Кестерс, Хольгер; Лёве, Матиас; Меркль, Франц; Роллес, Силке (ред.). Предельные теоремы в теории вероятностей, статистике и теории чисел: в честь Фридриха Гетце . Спрингерские труды по математике и статистике. Том. 42. Гейдельберг: Шпрингер. стр. 23–48. дои : 10.1007/978-3-642-36068-8_2 . МР 3079136 . S2CID 55652124 .
- Бюжо, Янн (2012). Распределение по модулю единицы и диофантово приближение . Кембриджские трактаты по математике. Том. 193. Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-11169-0 . Збл 1260.11001 .
- Кассельс, JWS (1957). Введение в диофантово приближение . Кембриджские трактаты по математике и математической физике. Том. 45. Издательство Кембриджского университета .
- Даффин, Р.Дж.; Шеффер, AC (1941). «Задача Хинчина в метрическом диофантовом приближении». Математический журнал Дьюка . 8 (2): 243–255. дои : 10.1215/s0012-7094-41-00818-9 . ISSN 0012-7094 . Збл 0025.11002 .
- Дайсон, Фриман Дж. (1947). «Приближение алгебраических чисел рациональными числами» . Акта Математика . 79 : 225–240. дои : 10.1007/BF02404697 . ISSN 0001-5962 . МР 0023854 . Збл 0030.02101 .
- Харди, штат Джорджия ; Райт, Э.М. (1979). Введение в теорию чисел (5-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-853170-8 . МР 0568909 .
- Гурвиц, А. (1891). «О приближенном представлении иррациональных чисел рациональными дробями». Математические анналы (на немецком языке). 39 (2): 279–284. дои : 10.1007/BF01206656 . МР1510702 . S2CID 119535189 .
- Хинчин, А.Я. (1997) [1964]. Продолжительные дроби . Дувр. ISBN 0-486-69630-8 .
- Кляйнбок, ДЮ; Маргулис, Джорджия (1998). «Потоки в однородных пространствах и диофантова аппроксимация на многообразиях». Энн. Математика . 148 (1): 339–360. arXiv : math/9810036 . Бибкод : 1998math.....10036K . дои : 10.2307/120997 . JSTOR 120997 . МР 1652916 . S2CID 8471125 . Збл 0922.11061 .
- Ланг, Серж (1995). Введение в диофантовые приближения (новое расширенное изд.). Спрингер-Верлаг . ISBN 0-387-94456-7 . Збл 0826.11030 .
- Маргулис, Джорджия (2002). «Диофантово приближение, решетки и потоки на однородных пространствах». В Вюстхольце, Гисберт (ред.). Панорама теории чисел или вид из сада Бейкера . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . стр. 280–310. ISBN 0-521-80799-9 . МР 1975458 .
- Перрон, Оскар (1913). ( на немецком языке Теория цепных дробей ). Лейпциг: Б. Г. Тойбнер.
- Перрон, Оскар (1929). ( на Теория непрерывных дробей немецком языке) (2-е изд.). Челси.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - Рот, Клаус Фридрих (1955). «Рациональные приближения к алгебраическим числам». Математика . 2 : 1–20, 168. doi : 10.1112/S0025579300000644 . ISSN 0025-5793 . МР 0072182 . Збл 0064.28501 .
- Шмидт, Вольфганг М. (1980). Диофантово приближение . Конспект лекций по математике. Том. 785 (изд. 1996 г.). Берлин-Гейдельберг-Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN 3-540-09762-7 . Збл 0421.10019 .
- Шмидт, Вольфганг М. (1996). Диофантовы приближения и диофантовы уравнения . Конспект лекций по математике. Том. 1467 г. (2-е изд.). Спрингер-Верлаг . ISBN 3-540-54058-Х . Збл 0754.11020 .
- Сигель, Карл Людвиг (1921). «Приближение алгебраических чисел» . Математический журнал . 10 (3): 173–213. дои : 10.1007/BF01211608 . ISSN 0025-5874 . S2CID 119577458 .
- Спринджук, Владимир Григорьевич (1979). Метрическая теория диофантовых приближений . Серия Scripta по математике. Перевод с русского и изд. Ричард А. Сильверман. С предисловием Дональда Дж. Ньюмана. Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-470-26706-2 . МР 0548467 . Збл 0482.10047 .
- Туэ, А. (1909). «О приближениях алгебраических чисел» . Журнал чистой и прикладной математики . 1909 (135): 284–305. дои : 10.1515/crll.1909.135.284 . ISSN 0075-4102 . S2CID 125903243 .
Внешние ссылки [ править ]
- Диофантово приближение: исторический обзор. Архивировано 14 февраля 2012 г. в Wayback Machine . Из «Введение в диофантовые методы» курса Мишеля Вальдшмидта .
- «Диофантовые приближения» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]