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無理數性度量


x 為一個實數,並設 R集合,其中包含使得下式成立的實數 mu

 0<|x-p/q|<1/(q^mu)
(1)

對於 p/q,至多有有限多個解 pq 整數。那麼,無理數性度量(有時稱為劉維爾-羅斯常數或無理數性指數)被定義為劉維爾逼近定理開始生效,並且 x 不再能被有理數逼近的閾值,

 mu(x)=inf_(mu in R)mu,
(2)

其中 inf_(mu in R)mu下確界。如果集合 R 為空,則 mu(x) 被定義為 mu(x)=infty,並且 x 被稱為劉維爾數。對於非空 R,存在三種可能的機制:

 {mu(x)=1   if x is rational; mu(x)=2   if x is algebraic of degree >1; mu(x)>=2   if x is transcendental,
(3)

其中過渡情況 mu(x)=2 可能對應於 x 是度數 >1代數數或者 x超越數。證明對於代數數 xmu(x)=2 是一個困難的結果,Roth 因此獲得了菲爾茲獎

無理數性度量的定義等價於以下陳述:如果 x 的無理數性度量為 mu,則 mu 是使得不等式

 |x-p/q|>1/(q^(mu+epsilon))
(4)

對於任何 epsilon>0 和所有足夠大的 q 的整數 pq 成立的最小數。

一個無理數 x 的無理數性度量可以用其簡單連分數展開式 x=[a_0,a_1,a_2,...] 及其收斂項 p_n/q_n 表示為

mu(x)=1+limsup_(n->infty)(lnq_(n+1))/(lnq_n)
(5)
=2+limsup_(n->infty)(lna_(n+1))/(lnq_n)
(6)

(Sondow 2004)。例如,黃金比例 phi 具有

 mu(phi)=2,
(7)

這直接從 (6) 和簡單連分數展開式 phi=[1,1,1,...] 得出。

精確值包括 mu(L)=infty,對於 L 劉維爾常數,以及 mu(e)=2 (Borwein 和 Borwein 1987, pp. 364-365)。截至 2020 年年中,其他常見常數的已知最佳上限總結在下表中,其中 zeta(3)阿佩裡常數Ln_q(2)h_q(1)q-調和級數,下限均為 2。

常數 x上限參考文獻
pi7.10320534Zeilberger 和 Zudilin (2020)
pi^25.09541179Zudilin (2013)
ln23.57455391Marcovecchio (2009)
ln35.116201Bondareva 等人 (2018)
zeta(3)5.513891Rhin 和 Viola (2001)
Ln_q(2)2.9384Matala-Aho 等人 (2006)
h_q(1)2.4650Zudilin (2004)

對於 pi 的界限歸功於 Zeilberger 和 Zudilin (2020),並在 Salikhov (2008) 先前發現的值 7.606308 上有所改進。它的精確值如下給出。設 N_+/- 為複共軛根

 108N^3-2359989N^2+138304N-2048=0,
(8)

N_3 為正實根,並設

a_1=ln|N_+/-|-5/2ln2+4-pi/(2sqrt(3))+ln((3sqrt(3))/4)
(9)
=-1.90291648...
(10)
a_3=lnN_3-5/2ln2+4-pi/(2sqrt(3))+ln((3sqrt(3))/4)
(11)
=11.61389004...,
(12)

則界限由下式給出

 mu(pi)<=1-(a_3)/(a_1).
(13)

Alekseyev (2011) 表明,弗林特山級數的收斂性問題與 pi 的無理數性度量相關,特別是,收斂將暗示 mu(pi)<=2.5,這比目前已知的最佳上限要強得多。


另請參閱

代數數, 劉維爾逼近定理, 有理數, 羅斯定理, 超越次數, 超越數

使用 探索

參考文獻

Alekseyev, M. A. "On Convergence of the Flint Hills Series." http://arxiv.org/abs/1104.5100/. 2011 年 4 月 27 日。Amdeberhan, T. 和 Zeilberger, D. "q-Apéry Irrationality Proofs by q-WZ Pairs." Adv. Appl. Math. 20, 275-283, 1998.Beukers, F. "A Rational Approach to Pi." Nieuw Arch. Wisk. 5, 372-379, 2000.Bondareva, I. V.; Luchin, M. Y.; 和 Salikhov, V. K. "Symmetrized Polynomials in a Problem of Estimating the Irrationality Measure of the Number ln3." Chebyshevskiĭ Sb. 19, 15-25, 2018.Borwein, J.; Bailey, D.; 和 Girgensohn, R. Experimentation in Mathematics: Computational Paths to Discovery. Wellesley, MA: A K Peters, pp. 3-4, 2004.Borwein, J. M. 和 Borwein, P. B. "Irrationality Measures." §11.3 in Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, pp. 362-386, 1987.Finch, S. R. "Liouville-Roth Constants." §2.22 in Mathematical Constants. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 171-174, 2003.Hardy, G. H. 和 Wright, E. M. An Introduction to the Theory of Numbers, 5th ed. Oxford: Clarendon Press, 1979.Hata, M. "Legendre Type Polynomials and Irrationality Measures." J. reine angew. Math. 407, 99-125, 1990.Hata, M. "Improvement in the Irrationality Measures of pi and pi^2." Proc. Japan. Acad. Ser. A Math. Sci. 68, 283-286, 1992.Hata, M. "Rational Approximations to pi and Some Other Numbers." Acta Arith. 63, 335-349, 1993.Hata, M. "A Note on Beuker's Integral." J. Austral. Math. Soc. 58, 143-153, 1995.Hata, M. "A New Irrationality Measure for zeta(3)." Acta Arith. 92, 47-57, 2000.Marcovecchio, R. "The Rhin-Viola Method for log2." Acta Arith. 139, 147-184, 2009.Matala-Aho, T.; Väänänen, K.; 和 Zudilin, W. "New Irrationality Measures for q-Logarithms." Math. Comput. 75, 879-889, 2006.Rhin, G. 和 Viola, C. "On a Permutation Group Related to zeta(2)." Acta Arith. 77, 23-56, 1996.Rhin, G. 和 Viola, C. "The Group Structure for zeta(3)." Acta Arith. 97, 269-293, 2001.Rukhadze, E. A. "A Lower Bound for the Rational Approximation of ln2 by Rational Numbers." [俄語]. Vestnik Moskov Univ. Ser. I Math. Mekh., No. 6, 25-29 和 97, 1987.Salikhov, V. Kh. "On the Irrationality Measure of ln3."Dokl. Akad. Nauk 417, 753-755, 2007. 翻譯於 Dokl. Math. 76, No. 3, 955-957, 2007.Salikhov, V. Kh. "On the Irrationality Measure of pi." Usp. Mat. Nauk 63, 163-164, 2008. 英文翻譯於 Russ. Math. Surv 63, 570-572, 2008.Sondow, J. "Irrationality Measures, Irrationality Bases, and a Theorem of Jarnik." Proceedings of Journées Arithmétiques, Graz 2003 in the Journal du Theorie des Nombres Bordeaux. http://arxiv.org/abs/math.NT/0406300.Stark, H. M. An Introduction to Number Theory. Cambridge, MA: MIT Press, 1994.van Assche, W. "Little q-Legendre Polynomials and Irrationality of Certain Lambert Series." 2001 年 1 月 23 日。 http://wis.kuleuven.be/analyse/walter/qLegend.pdf.Zeilberger, D. 和 Zudilin, W. "The Irrationality Measure of pi is at Most 7.103205334137...." 2020 年 1 月 8 日。 https://arxiv.org/abs/1912.06345.Zudilin, V. V. "An Essay on the Irrationality Measures of pi and Other Logarithms." Chebyshevskiĭ Sb. 5, 49-65, 2004.Zudilin, V. V. "On the Irrationality Measure of pi^2." Russian Math. Surveys 68, 1133-1135, 2013.

在 中被引用

無理數性度量

請引用為

Weisstein, Eric W. "Irrationality Measure." 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/IrrationalityMeasure.html

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