В теории чисел изучение диофантовых приближений имеет дело с приближением действительных чисел рациональными числами . Оно названо в честь Диофанта Александрийского .
Первая задача состояла в том, чтобы узнать, насколько хорошо действительное число может быть приближено рациональными числами. Для этой задачи рациональное число p / q является «хорошим» приближением действительного числа α, если абсолютное значение разности между p / q и α не может уменьшиться, если p / q заменить другим рациональным числом с меньшим знаменателем. Эта задача была решена в 18 веке с помощью цепных дробей .
Зная "лучшие" приближения заданного числа, главная проблема поля состоит в том, чтобы найти точные верхние и нижние границы вышеуказанной разности, выраженные как функция знаменателя . Похоже, что эти границы зависят от природы действительных чисел, которые должны быть приближены: нижняя граница для приближения рационального числа другим рациональным числом больше нижней границы для алгебраических чисел , которая сама по себе больше нижней границы для всех действительных чисел. Таким образом, действительное число, которое может быть приближено лучше, чем граница для алгебраических чисел, безусловно, является трансцендентным числом .
Эти знания позволили Лиувиллю в 1844 году получить первое явное трансцендентное число. Позднее доказательства того, что π и e являются трансцендентными, были получены аналогичным методом.
Диофантовы приближения и теория трансцендентных чисел — очень близкие области, которые разделяют много теорем и методов. Диофантовы приближения также имеют важные приложения в изучении диофантовых уравнений .
Медаль Филдса 2022 года была присуждена Джеймсу Мейнарду за его работу по диофантовым приближениям.
Для данного действительного числа α существует два способа определить наилучшее диофантово приближение α . Для первого определения [1] рациональное число p / q является наилучшим диофантовым приближением α , если
для каждого рационального числа p' / q', отличного от p / q, такого, что 0 < q ′ ≤ q .
Для второго определения [2] [3] указанное выше неравенство заменяется на
Наилучшее приближение для второго определения также является наилучшим приближением для первого, но обратное в общем случае неверно. [4]
Теория цепных дробей позволяет нам вычислять наилучшие приближения действительного числа: для второго определения это подходящие дроби его выражения в виде правильной цепной дроби. [3] [4] [5] Для первого определения необходимо рассмотреть также полуподходящие дроби . [1]
Например, константа e = 2,718281828459045235... имеет (правильное) представление в виде цепной дроби
Наилучшими приближениями для второго определения являются:
в то время как для первого определения они являются
Очевидная мера точности диофантова приближения 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 , как правило, с его отрицательной степенью.
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 имеем ». В некоторых случаях «каждое рациональное число» можно заменить на «все рациональные числа, за исключением конечного их числа», что равносильно умножению φ на некоторую константу, зависящую от α .
Для верхних оценок следует учитывать, что не все «лучшие» диофантовы приближения, обеспечиваемые конвергентами, 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 приближаемое число — это x , для которого существует положительная константа c, такая, что для всех рациональных p / q имеем
Плохо приближаемые числа – это как раз те, у которых ограниченные частичные частные . [6]
Эквивалентно, число плохо приближается тогда и только тогда, когда его константа Маркова конечна, а его простая цепная дробь ограничена.
Рациональное число может быть очевидно и идеально приближено с помощью для каждого положительного целого числа i .
Если у нас есть
поскольку является положительным целым числом и, следовательно, не меньше 1. Таким образом, точность аппроксимации плоха по сравнению с иррациональными числами (см. следующие разделы).
Можно заметить, что предыдущее доказательство использует 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 самых сложных.
Подводя итог, можно сказать, что рациональное число идеально аппроксимируется самим собой, но плохо аппроксимируется любым другим рациональным числом.
В 1840-х годах Жозеф Лиувилль получил первую нижнюю границу для приближения 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 получить 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 трансцендентной теорией чисел продолжается и по сей день. Многие из методов доказательства являются общими для этих двух областей.
На протяжении более чем столетия было предпринято много попыток улучшить теорему Лиувилля: каждое улучшение границы позволяет нам доказать, что больше чисел являются трансцендентными. Основные улучшения принадлежат Акселю Туэ (1909), Зигелю (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 > 0 , то существует положительное действительное число c ( x , ε ) такое, что
справедливо для любых целых чисел p и q, таких что q > 0 .
В некотором смысле этот результат является оптимальным, поскольку теорема была бы ложной при ε = 0. Это является непосредственным следствием верхних границ, описанных ниже.
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 линейно независимы над рациональными числами, а ε — любое заданное положительное действительное число, то существует лишь конечное число рациональных n -кортежей ( p 1 / q , ..., p n / q ) таких, что
Опять же, этот результат является оптимальным в том смысле, что из показателя степени можно не удалять ε .
Все предыдущие нижние оценки неэффективны в том смысле, что доказательства не предоставляют никакого способа вычисления константы, подразумеваемой в утверждениях. Это означает, что нельзя использовать результаты или их доказательства для получения оценок размера решений связанных диофантовых уравнений. Однако эти методы и результаты часто можно использовать для оценки числа решений таких уравнений.
Тем не менее, уточнение теоремы Бейкера Фельдманом дает эффективную границу: если x — алгебраическое число степени n над рациональными числами, то существуют эффективно вычислимые константы c ( x ) > 0 и 0 < d ( x ) < n такие, что
справедливо для всех рациональных целых чисел.
Однако, как и для любой эффективной версии теоремы Бейкера, константы d и 1/ c настолько велики, что этот эффективный результат невозможно использовать на практике.
Первым важным результатом о верхних границах диофантовых приближений является теорема Дирихле об аппроксимации , которая подразумевает, что для каждого иррационального числа α существует бесконечно много дробей таких, что
Из этого сразу следует, что нельзя исключить ε из формулировки теоремы Туэ-Зигеля-Рота.
Адольф Гурвиц (1891) [7] усилил этот результат, доказав, что для каждого иррационального числа α существует бесконечно много дробей таких, что
Следовательно, является верхней границей для диофантовых приближений любого иррационального числа. Константа в этом результате не может быть улучшена без исключения некоторых иррациональных чисел (см. ниже).
Эмиль Борель (1903) [8] показал, что на самом деле для любого иррационального числа α и трех последовательных подходящих дробей α по крайней мере одна из них должна удовлетворять неравенству, приведенному в теореме Гурвица.
Определение : Два действительных числа называются эквивалентными [9] [10], если существуют целые числа с такими, что:
Итак, эквивалентность определяется целочисленным преобразованием Мёбиуса на действительных числах или членом Модулярной группы , множества обратимых матриц 2 × 2 над целыми числами. Каждое рациональное число эквивалентно 0; таким образом, рациональные числа являются классом эквивалентности для этого отношения.
Эквивалентность может быть прочитана в представлении регулярной цепной дроби, как показано в следующей теореме Серрета :
Теорема : Два иррациональных числа x и y эквивалентны тогда и только тогда, когда существуют два положительных целых числа h и k, такие, что представления x и y в виде правильной цепной дроби
удовлетворять
для каждого неотрицательного целого числа i . [11]
Таким образом, за исключением конечной начальной последовательности, эквивалентные числа имеют одинаковое представление в виде цепной дроби.
Эквивалентные числа приближаются в одинаковой степени в том смысле, что они имеют одинаковую константу Маркова .
Как сказано выше, константа в теореме Бореля не может быть улучшена, как показал Адольф Гурвиц в 1891 году. [12] Пусть будет 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 исключить числа, эквивалентные . Точнее: [13] [14] Для каждого иррационального числа , которое не эквивалентно , существует бесконечное множество дробей таких, что
Путем последовательных исключений — далее необходимо исключить числа, эквивалентные — все большего и большего числа классов эквивалентности, нижняя граница может быть еще больше расширена. Значения, которые могут быть получены таким образом, являются числами Лагранжа , которые являются частью спектра Лагранжа . Они сходятся к числу 3 и связаны с числами Маркова . [15] [16]
Пусть будет положительной действительной функцией от положительных целых чисел (т.е. положительной последовательности) такой, что является невозрастающей. Действительное число x (не обязательно алгебраическое) называется - аппроксимируемым, 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 ) является -аппроксимируемым, а если ряд сходится, то почти каждое действительное число не является -аппроксимируемым. Круг идей, окружающих эту теорему и родственные ей теоремы, известен как метрические диофантовы приближения или метрическая теория диофантовых приближений (не путать с высотными "метриками" в диофантовой геометрии ) или метрическая теория чисел .
Даффин и Шеффер (1941) доказали обобщение результата Хинчина и выдвинули 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 меры Хаусдорфа гипотезы Даффина–Шеффера эквивалентен исходной гипотезе Даффина–Шеффера, которая априори слабее. В июле 2019 года Димитрис Кукулопулос и Джеймс Мейнард объявили о доказательстве гипотезы. [17] [18]
Важным примером функции, к которой может быть применена теорема 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 -аппроксимируемой. Таким образом, множество чисел, которые -аппроксимируемы, образует подмножество действительной прямой меры Лебега нуль. Теорема Ярника-Безиковича, принадлежащая В. Ярнику и А. С. Безиковичу , утверждает, что размерность Хаусдорфа этого множества равна . [19] В частности, множество чисел, которые -аппроксимируемы для некоторых (известное как множество очень хорошо аппроксимируемых чисел ), имеет размерность Хаусдорфа один, в то время как множество чисел, которые -аппроксимируемы для всех (известное как множество чисел Лиувилля ), имеет размерность Хаусдорфа нуль.
Другим важным примером является функция , где — действительное число. Для этой функции соответствующий ряд расходится, и поэтому теорема Хинчина говорит нам, что почти каждое число является -аппроксимируемым. Это то же самое, что сказать, что каждое такое число является хорошо аппроксимируемым , где число называется хорошо аппроксимируемым, если оно не является плохо аппроксимируемым. Поэтому подходящий аналог теоремы Ярника-Безиковича должен касаться размерности Хаусдорфа множества плохо аппроксимируемых чисел. И действительно, В. Ярник доказал, что размерность Хаусдорфа этого множества равна единице. Этот результат был улучшен В. М. Шмидтом , который показал, что множество плохо аппроксимируемых чисел является несжимаемым , то есть если — последовательность билипшицевых отображений, то множество чисел x , для которых все плохо аппроксимируемы, имеет размерность Хаусдорфа один. Шмидт также обобщил теорему Ярника на более высокие измерения, что является значительным достижением, поскольку аргумент Ярника по сути одномерен и основан на аппарате цепных дробей.
Другая тема, которая получила 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, рассмотрим последовательность в , которая является окружностью. Для любого интервала I на окружности мы смотрим на долю элементов последовательности, которые лежат в нем, вплоть до некоторого целого числа N , и сравниваем ее с долей окружности, занимаемой I . Равномерное распределение означает, что в пределе, по мере роста N , доля попаданий на интервал стремится к «ожидаемому» значению. Герман Вейль доказал основной результат , показывающий, что это эквивалентно границам для показательных сумм, образованных из последовательности. Это показало, что результаты диофантовых приближений тесно связаны с общей проблемой сокращения показательных сумм, которая встречается во всей аналитической теории чисел при ограничении членов погрешности.
С равномерным распределением связана тема неравномерности распределения , которая имеет комбинаторный характер.
Гротшель, Ловас и Шрайвер описывают алгоритмы для нахождения приблизительно наилучших диофантовых приближений, как для отдельных действительных чисел, так и для набора действительных чисел. Последняя задача называется одновременным диофантовым приближением . [20] : Раздел 5.2
В диофантовых приближениях все еще остаются просто сформулированные нерешенные проблемы, например, гипотеза Литтлвуда и гипотеза одинокого бегуна . Также неизвестно, существуют ли алгебраические числа с неограниченными коэффициентами в их разложении в цепную дробь.
В своем пленарном докладе на Международном математическом конгрессе в Киото (1990) Григорий Маргулис изложил широкую программу, основанную на эргодической теории , которая позволяет доказывать результаты теории чисел, используя динамические и эргодические свойства действий подгрупп полупростых групп Ли . Работы Д. Клейнбока, Г. Маргулиса и их сотрудников продемонстрировали мощь этого нового подхода к классическим проблемам в диофантовых приближениях. Среди его заметных успехов — доказательство гипотезы Оппенгейма десятилетней давности Маргулисом с более поздними расширениями Дани и Маргулисом и Эскиным–Маргулисом–Мозесом, а также доказательство гипотез Бейкера и Спринджука в диофантовых приближениях на многообразиях Клейнбоком и Маргулисом. Различные обобщения приведенных выше результатов Александра Хинчина в метрических диофантовых приближениях также были получены в рамках этой структуры.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)