Jump to content

Диофантово приближение

(Перенаправлено из диофантовых приближений )

Наилучшие рациональные приближения для π (зеленый круг), e (синий ромб), φ (розовый овал), (√3)/2 (серый шестиугольник), 1/√2 (красный восьмиугольник) и 1/√3 (оранжевый треугольник) рассчитанные на основе их разложений в непрерывные дроби, представленные в виде наклонов y / x с ошибками относительно их истинных значений (черные штрихи)

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 ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Jump up to: а б Хинчин 1997 , с. 21
  2. ^ Кассельс 1957 , с. 2
  3. ^ Jump up to: а б Ланг 1995 , с. 9
  4. ^ Jump up to: а б Хинчин 1997 , с. 24
  5. ^ Кассельс 1957 , стр. 5–8.
  6. ^ Бюжо 2012 , с. 245
  7. ^ Гурвиц 1891 , с. 279
  8. ^ Перрон 1913 , Глава 2, Теорема 15
  9. ^ Гурвиц 1891 , с. 284
  10. ^ Харди и Райт 1979 , Глава 10.11.
  11. ^ См. Перрон 1929 , глава 2, теорема 23, с. 63
  12. ^ Харди и Райт 1979 , с. 164
  13. ^ Кассельс 1957 , с. 11
  14. ^ Гурвиц 1891 г.
  15. ^ Кассельс 1957 , с. 18
  16. ^ См. Мишель Вальдшмидт: Введение в иррациональность и трансцендентность диофантовых методов. Архивировано 9 февраля 2012 г. в Wayback Machine , стр. 24–26.
  17. ^ Кукулопулос, Д.; Мейнард, Дж. (2019). «О гипотезе Даффина – Шеффера». arXiv : 1907.04593 [ math.NT ].
  18. ^ Сломан, Лейла (2019). «Новое доказательство решает 80-летнюю проблему иррациональных чисел» . Научный американец .
  19. ^ Берник и др. 2013 , с. 24
  20. ^ 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 ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 588e254afe98755c11860e22de1d00e9__1714649280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/58/e9/588e254afe98755c11860e22de1d00e9.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Diophantine approximation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)