Fracciones continuas y ecuaciones diofánticas · Definición

Convergente de una fracción continua

teoría de números elementalfracciones continuas y ecuaciones diofánticas

Antes de empezar necesitas conocer

Los convergentes son la mejor manera de aproximar un número irracional mediante fracciones con denominador pequeño. Se calculan de forma recursiva a partir de los cocientes parciales.

Definición

Un convergente de una fracción continua \( [a_0; a_1, a_2, \ldots] \) es la fracción racional \( p_n/q_n \) que se obtiene truncando la expansión en el término \( a_n \).

\[\frac{p_n}{q_n}=[a_0;a_1,\ldots,a_n],\quad p_n=a_np_{n-1}+p_{n-2},\\q_n=a_nq_{n-1}+q_{n-2}\]

Los numeradores y denominadores satisfacen las recurrencias \( p_n=a_np_{n-1}+p_{n-2} \) y \( q_n=a_nq_{n-1}+q_{n-2} \), con valores iniciales \( p_{-1}=1, p_{-2}=0, q_{-1}=0, q_{-2}=1 \). Además, \( p_nq_{n-1}-p_{n-1}q_n=(-1)^{n-1} \), de modo que cada convergente está en forma reducida. Los convergentes de índice par son menores que el valor de la fracción y los de índice impar son mayores.

Para \( \sqrt{2}=[1;2,2,2,\ldots] \), los primeros convergentes se calculan con \( p_0=1, q_0=1 \), \( p_1=3, q_1=2 \) y \( p_2=7, q_2=5 \). Así, \( 7/5 \) aproxima \( \sqrt{2} \) con un error menor que \( 0.02 \).

Un error típico es olvidar los valores iniciales de las recurrencias y empezar con \( p_0=a_0 \) sin definir \( p_{-1} \) y \( q_{-1} \), lo que produce denominadores incorrectos. Otro error frecuente es suponer que todo convergente es mayor que el valor real de la fracción continua.

Para pensar

¿Por qué los convergentes de índice par son menores que el valor de la fracción continua?

Porque \( x-p_n/q_n \) tiene el signo de \( (-1)^n \), así que los de índice par quedan por debajo de \( x \).

Ejercicios 10

Después de esto

Referencias

  • David M. Burton, Elementary Number Theory, 7th edition, McGraw-Hill, 2011. cap. 15
  • Ivan Niven, Herbert S. Zuckerman, Hugh L. Montgomery, An Introduction to the Theory of Numbers, 5th edition, Wiley, 1991. cap. 7