Диофантово приближение

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 ]