Fracción Continua

En matemáticas, una fracción continua, nombrada también fracción continuada (por influjo del ingl.

continued fraction),​​ es una expresión de la forma:

donde a0 es un entero y todos los demás números ai son enteros positivos, para i= 0, 1, 2,...n,.... Los números a0, a1, a2,..., as se llaman elementos o cocientes incompletos.​ Si se permite que los numeradores o los denominadores parciales tomen valores arbitrarios, que podrían ser funciones en algún contexto, la expresión resultante es una fracción continua generalizada. Cuando fuera necesario distinguir la forma típica de arriba de una generalizada aquella se denominará fracción continua regular o simple.

Motivación

El motivo del estudio de las fracciones continuas es el deseo de dar una representación «matemáticamente pura» de los números reales. Estamos familiarizados con la representación decimal:

    Fracción Continua 

donde a0 puede ser cualquier entero y los otros ai pertenecen a {0, 1, 2, …, 9}. Así el número Fracción Continua , por ejemplo, se representa con la sucesión (3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, …).

Esta representación tiene algunos problemas. Por ejemplo, la constante 10 se usa porque los cálculos se hacen en el sistema decimal; bien podría usarse el octal o el binario. Otro problema es que muchos racionales no tienen representación finita; por ejemplo, 1/3 lo hace con la sucesión infinita (0, 3, 3, …).

La representación en fracción continua de los números reales evita ambos problemas. Por ejemplo, consideremos el número 415/93, que vale aproximadamente 4.4624. Esto es aproximadamente 4, pero es algo mayor que 4, sobre 4+1/2. Pero el denominador 2 no es correcto; lo sería uno algo mayor, sobre 2+1/6, ya que 415/93 es aproximadamente 4+1/(2+1/6). Pero el denominador 6 no es correcto; lo sería uno algo mayor, sobre 4+1/(2+1/(6+1/7)). Esto es exacto. Quitando las partes redundantes de la expresión 4+1/(2+1/(6+1/7)), se obtiene su notación abreviada [4; 2, 6, 7].

Así, puede representarse en fracción continua cualquier número real, y se cumplen estas propiedades:

  • La representación en fracción continua de un número real es finita si y solo si ese número es racional.
  • La representación en fracción continua de un racional «simple» es generalmente corta.
  • La representación en fracción continua de un racional es única siempre que no acabe en 1. (de hecho: [a0; a1,... an, 1] = [a0; a1,... an + 1].)
  • Los términos de una fracción continua se repetirán si y solo si representa a un irracional cuadrático, es decir, si es solución de una ecuación cuadrática con coeficientes enteros. Por ejemplo, la fracción continua [1; 1, 1,... ] representa al número áureo y [1; 2, 2, 2, … ] a Fracción Continua .
  • El truncado de la representación en fracción continua de un número x da una aproximación racional que es, en cierto sentido, la «mejor posible» (véanse los teoremas 6 y 7, más abajo, para una formalización de este aserto).

La última propiedad, falsa si empleáramos la representación convencional, es muy importante. Si truncamos una representación decimal, obtenemos una aproximación racional, pero habitualmente no la mejor. Por ejemplo, truncando 1/7=0.142857… en varios sitios obtendremos aproximaciones como 142/1000, 14/100 o 1/10. Pero es claro que el mejor racional que aproxima a 1/7 es el propio 1/7. Si truncamos la representación decimal de π obtendremos aproximaciones como 31415/10000 o 314/100. La representación en fracción continua de π comienza con [3; 7, 15, 1, 292,.. ]. Si truncamos esta representación obtendremos las excelentes aproximaciones: 3, 22/7, 333/106, 355/113, 103993/33102, … Los denominadores de 314/100 y 333/106 son casi iguales pero el error en la aproximación de 314/100 es nueve veces mayor que el de 333/106, así como la aproximación a π con [3; 7, 15, 1] es 100 veces más precisa que 3.1416.

Apuntes históricos

Las fracciones continuas se utilizan desde antiguo. Aryabhata (476-550) las usó para resolver ecuaciones diofánticas, así como para dar aproximaciones precisas de números irracionales. Brahmagupta (598-668) profundizó en el estudio de las ecuaciones llamadas hoy de Pell. Desarrolló los fundamentos del método chakravala, usando cálculos parecidos a los de las fracciones continuas. Investigó la resolución de la ecuación Fracción Continua , encontrando la menor solución: x = 1 766 319 049, y = 226 153 980

En el siglo XII, el método fue mejorado por Bhaskara II. Un algoritmo, análogo al de las fracciones continuas, permitió resolver un caso general. La diferencia más notable era que admitía números negativos en la fracción, acelerando la convergencia.

La aparición en Europa fue posterior e italiana. Rafael Bombelli (1526-1572) usó un antecesor de las fracciones continuas para calcular aproximaciones de la raíz cuadrada de 13. Pietro Antonio Cataldi (1548-1626) se dio cuenta de que el método de Bombelli valía para todas las raíces cuadradas; lo utilizó para la de 18 y escribió un opúsculo sobre este asunto. Remarcó que las aproximaciones obtenidas son alternativamente superiores e inferiores a la raíz cuadrada buscada.

En Inglaterra hubo un progreso decisivo. El 3 de enero de 1657, Pierre de Fermat desafió a los matemáticos europeos con varios problemas, entre los que estaba la ecuación ya resuelta por Brahmagupta. La respuesta inglesa fue rápida. William Brouncker (1620-1684) encontró la relación entre la ecuación y la fracción continua, así como un método algorítmico equivalente al de los hindúes para el cálculo de la solución. Utilizó una fracción continua para construir una sucesión que convergía a Fracción Continua , y aproximó Fracción Continua  con 10 decimales significativos. Estos resultados fueron publicados por John Wallis, que aprovechó para demostrar las relaciones de recurrencia utilizadas por Brouncker y Baskara II. Dio, además, el nombre de fracción continua en la frase: «Nempe si unitati adjungatur fractio, quae denominatorem habeat continue fractum». En esta época, Christiaan Huygens (1629-1695) descubrió que las fracciones continuas son la herramienta ideal para determinar el número de dientes que deben tener las ruedas de engranajes de un reloj. Las utilizó para la construcción de un autómata planetario.

En el siglo siguiente se resuelven algunas cuestiones teóricas. El uso mostró que el algoritmo de las fracciones continuas permitía resolver la ecuación de Pell utilizando el hecho de que la fracción es periódica a partir de un punto. Leonhard Euler (1707-1783) demostró que, si un número tiene una fracción continua periódica, entonces es solución de una ecuación de segundo grado con coeficientes enteros. El recíproco, más sutil, es obra de Joseph-Louis de Lagrange (1736-1813) . Johann Heinrich Lambert (1728-1777) encontró una nueva utilidad de las fracciones continuas: las usó para demostrar la irracionalidad de Fracción Continua .

Esta utilización vino a ser frecuente durante el siglo XIX. Évariste Galois encontró una condición necesaria y suficiente para que una fracción continua sea inmediatamente periódica. Joseph Liouville (1809-1882) utilizó el desarrollo en fracción continua generalizado para construir los primeros ejemplos de números trascendentes: los números de Liouville. Charles Hermite (1822-1901) estableció nuevos métodos para demostrar la trascendencia de Fracción Continua , base del logaritmo neperiano. Estos son retomados por Ferdinand von Lindemann que demostró en 1882 que Fracción Continua  es trascendente con el corolario de la imposibilidad de la cuadratura del círculo. Georg Cantor (1845-1918) demostró que los puntos de un segmento pueden ponerse en biyección con los del interior de un cuadrado con la ayuda de fracciones continuas. El siglo XX vio la explosión de un gran número de publicaciones sobre este asunto. Más de 1500 matemáticos han encontrado elementos dignos de publicación.

Cálculo de una fracción continua

Consideremos un número real r. Sea e la parte entera y d la parte decimal de r; entonces la representación en fracción continua de r es [e; a1, a2,...], donde [a1; a2,...] es la representación en fracción continua de 1/d.

Para calcular la representación en fracción continua de un número r, se escribe en primer lugar la parte entera de r. Se resta esta parte entera a r. Si la diferencia es 0 se para; en otro caso se halla el inverso de la diferencia y se repite. Este proceso tendrá fin si y solo si r es racional.

    Hallar la fracción continua de 3,245 (= Fracción Continua )
    Paso Número real Parte entera Parte fraccionaria Simplificado Recíproco de f Simplificado
    1 r = Fracción Continua  i = 3 f = Fracción Continua  − 3 = Fracción Continua  1/f = Fracción Continua  = Fracción Continua 
    2 r = Fracción Continua  i = 4 f = Fracción Continua  − 4 = Fracción Continua  1/f = Fracción Continua  = Fracción Continua 
    3 r = Fracción Continua  i = 12 f = Fracción Continua  − 12 = Fracción Continua  1/f = Fracción Continua  = 4
    4 r = 4 i = 4 f = 4 − 4 = 0 FIN
    La fracción continua de 3.245 =(Fracción Continua ) es [3; 4, 12, 4].
    Fracción Continua 

También podría representarse con [3; 4, 12, 3, 1] en referencia a las fracciones continuas finitas.

El mismo ejemplo visto de otra manera
Otra manera de ver el ejemplo sería:
    Fracción Continua 

que en fracción mixta es:

    Fracción Continua 

que es equivalente a:

    Fracción Continua 

la convertimos en fracción mixta:

    Fracción Continua 

del mismo modo:

    Fracción Continua 

la convertimos en fracción mixta:

    Fracción Continua 

al tener un 1 en el numerador el proceso termina, por lo tanto el resultado es:

    Fracción Continua 

Notación

Se puede expresar una fracción continua como

    Fracción Continua 

o, en la notación de Pringsheim,

    Fracción Continua 

o esta otra notación similar a la anterior

    Fracción Continua 

Se pueden definir las fracciones continuas infinitas como un límite:

    Fracción Continua 

Este límite existe para cualquier elección de enteros positivos a1, a2, a3...

Formalización

Llamaremos fracción continua de orden n a toda expresión de la forma:

    Fracción Continua 

donde Fracción Continua  es un real no negativo y los demás son estrictamente positivos. Emplearemos también la notación: Fracción Continua 

Reducidas

Sea Fracción Continua  una fracción continua: definimos la sucesión Fracción Continua  por:

    Fracción Continua 

y la recurrencia, para k ≥ 2

    Fracción Continua 

La fracción Fracción Continua  se llama la k-ésima reducida de la fracción continua.

Teorema 1

Para todo k ≤ n se tiene:

    Fracción Continua 

Además, para todo k, 1 ≤ kn,

    Fracción Continua 

Consideraremos a partir de ahora fracciones continuas enteras, esto es, aquellas para los que todo Fracción Continua  sea entero positivo.

Teorema 2

Las reducidas de una fracción continua entera son fracciones irreducibles.

Sea Fracción Continua  un número real positivo, podemos ponerlo como Fracción Continua , donde Fracción Continua  es la parte entera de Fracción Continua  y Fracción Continua  la parte decimal de Fracción Continua .

Si Fracción Continua  entonces, del mismo modo, Fracción Continua , de manera que

    Fracción Continua .

Si Fracción Continua , pondríamos Fracción Continua , etc. Tenemos entonces para k>1, Fracción Continua  y Fracción Continua  (siempre que Fracción Continua ). Tenemos:

    Fracción Continua .

La sucesión Fracción Continua  está determinada por Fracción Continua  y se llama Desarrollo en fracción continua de x.

Teorema 3

El desarrollo en fracción continua de x es finito si y solo si x es racional.

Teorema 4

Dada una sucesión infinita Fracción Continua  de enteros positivos tales que Fracción Continua  si Fracción Continua , la sucesión de reducidas

    Fracción Continua 

converge.

Podemos así dar un sentido a una fracción continua entera infinita y escribir:

    Fracción Continua 

donde Fracción Continua .

Teorema 5

Sea x un real representado por una fracción continua entera infinita Fracción Continua . Entonces (an) coincide con el desarrollo en fracción continua de x.

Mejores aproximaciones racionales

Teorema 6. La k-ésima reducida Fracción Continua  del desarrollo en fracción continua de Fracción Continua  es la mejor aproximación de Fracción Continua  por una fracción de denominador menor o igual a Fracción Continua  :

    Fracción Continua .

Teorema 7. Sea Fracción Continua  un número real positivo no nulo y Fracción Continua  una fracción irreducible tal que:

    Fracción Continua 

Entonces, Fracción Continua  es una de las reducidas del desarrollo de Fracción Continua  en fracción continua.

Teorema 8. (Hurwitz) Sea Fracción Continua  un irracional positivo. Existe una cantidad infinita de racionales tales que:

    Fracción Continua .

Además, la constante Fracción Continua  es la mejor posible.

En este último sentido el número áureo, Fracción Continua , es uno de los irracionales que peor se aproxima con fracciones continuas; sus reducidas, (5/3, 8/5, 13/8, 21/13, etc.), distan casi exactamente Fracción Continua  de Fracción Continua .

Algunos desarrollos notables

Número Fracción Continua 

Fracción Continua  = [ 3; 7, 15, 1, 292, 1, 1, …] o bien

    Fracción Continua 

Utilizando fracciones continuas generalizadas obtenemos desarrollos con estructuras más regulares

    Fracción Continua 
    Fracción Continua 

Raíz cuadrada de 2

Sea raíz cuadrada de dos: Fracción Continua , su parte entera vale 1, así que Fracción Continua  y Fracción Continua . Ahora bien, utilizando la identidad Fracción Continua , tenemos que Fracción Continua . Por tanto Fracción Continua  y Fracción Continua . Concluimos que todos los Fracción Continua  a partir de k=1 valen 2 y todos los Fracción Continua  valen Fracción Continua . El desarrollo en fracción continua es, por tanto:

Fracción Continua 

Número áureo

Fracción Continua 

Número e

Fracción Continua 

Aplicaciones

Irracionalidad del número Fracción Continua 

Las fracciones continuas ofrecen una manera de conocer la irracionalidad de un número. Si su desarrollo es infinito entonces el número es irracional. Esta técnica fue utilizada por Euler, que determinó la fracción continua del número Fracción Continua .

El desarrollo en fracción continua de e,es:

Fracción Continua 

La barra utilizada aquí es una notación frecuente; indica una repetición hasta el infinito de la sucesión de enteros que cubre.

O estas otras:

Fracción Continua 

Se concluye que ni e ni √e son racionales.

Irracionalidad del número Fracción Continua 

La irracionalidad del número Fracción Continua  la demostró por primera vez Johann Heinrich Lambert en 1761 basándose en el desarrollo en fracción continua generalizada de la función tangente.

La ecuación de Pell

La ecuación de Pell es una ecuación diofántica, es decir, con coeficientes enteros y para la que las soluciones pedidas son enteras también. Tiene la forma:

Fracción Continua 

Donde n es un entero que no es cuadrado perfecto y a es un entero no nulo. Aquí consideraremos que Fracción Continua . Una solución (h, k) verificará: Fracción Continua 

h/k n son superiores a 1 y √n lo es estrictamente, de ahí:

Fracción Continua 

En el teorema 7 se demostró que la fracción Fracción Continua  debe ser una reducida de Fracción Continua . Toda solución de la ecuación debe estar en la sucesión de reducidas de Fracción Continua . Este hecho, demostrado por Lagrange, permite dar soluciones, si bien más teóricas que algorítmicas, a la ecuación de Pell.

Números cuadráticos

A diferencia de la exponencial, la raíz cuadrada de 2 es particularmente fácil de desarrollar en fracción continua. Esta propiedad proviene del hecho de que, a partir de cierto punto, volvemos a encontrar un cociente completo ya aparecido. La fracción continua es periódica a partir de cierto punto. La raíz de 11 tiene la misma propiedad: Fracción Continua 

Se deduce que a0 = 3, a1 = 3, x0 = 1/2(3 + √11) y x1 = 3 + √11. Calculamos la fracción continua de x1:

Fracción Continua 

Obsérvese que es necesario tener un número entre 0 y 1, para obtener la fracción continua, desde otra perspectiva; véase el mismo cálculo...

Fracción Continua 

Se ve que x2 es igual x0, lo que permite concluir:

Fracción Continua 

La periodicidad a partir de un punto es propia de los números de la forma Fracción Continua , donde Fracción Continua  y Fracción Continua  son racionales, Fracción Continua  no nulo, y Fracción Continua  un entero que no es cuadrado perfecto. Las regularidades son mayores para las raíces cuadradas. Por ejemplo:

Fracción Continua 

Exceptuando el último número del periodo, los anteriores forman un número capicúa. Además, el último término del periodo es el doble del primero (en el caso tratado, 8, que es el doble de 4).

Notas y referencias

Véase también

Textos para el caso

Enlaces externos

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