2.2: Золоте Перетин Φ

Число$\Phi$ відоме як золоте перетин. Кажуть$y$, що два додатних числа$x$ і$x>y$, з, знаходяться в золотому співвідношенні, якщо співвідношення між сумою цих чисел і більшим є таким же, як співвідношення між більшим і меншим; тобто

$$\frac{x+y}{x}=\frac{x}{y} \nonumber$$

Розчин (2.2.1) врожайність$x / y=\Phi$. Якимось чітко визначеним чином, також$\Phi$ можна назвати самим ірраціональним з ірраціональних чисел.

Щоб зрозуміти, чому ця відмінність$\Phi$ є найбільш ірраціональним числом, нам потрібно спочатку зрозуміти тривалі дроби. Нагадаємо, що раціональне число - це будь-яке число, яке може бути виражено як частка двох цілих чисел, а ірраціональне число - будь-яке число, яке не є раціональним. Раціональні числа мають скінченні тривалі дроби; ірраціональні числа мають нескінченні тривалі дроби.

Кінцевий безперервний дріб являє собою раціональне число$x$ як

$$x=a_{0}+\frac{1}{a_{1}+\frac{1}{a_{2}+\frac{1}{\ddots+\frac{1}{a_{n}}}}} \nonumber$$

де$a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}$ натуральні числа і$a_{0}$ є будь-якими цілими числами. Зручна стенографічна форма$(2.2.2)$ є

$$x=\left[a_{0} ; a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}\right] \nonumber$$

Якщо$x$ нераціонально, то$n \rightarrow \infty$.

Тепер для деяких прикладів. Для побудови продовження дробу раціонального числа$x=3 / 5$ ми можемо записати

$$\begin{aligned} 3 / 5 &=\frac{1}{5 / 3}=\frac{1}{1+2 / 3} \\[4pt] &=\frac{1}{1+\frac{1}{3 / 2}}=\frac{1}{1+\frac{1}{1+1 / 2}} \end{aligned} \nonumber$$

який має форму$(2.2.2)$, так що$3 / 5=[0 ; 1,1,2]$.

Щоб побудувати безперервний дріб ірраціонального числа$\sqrt{2}$, ми можемо скористатися хитрістю і написати

$$\begin{aligned} \sqrt{2} &=1+(\sqrt{2}-1) \\[4pt] &=1+\frac{1}{1+\sqrt{2}} \end{aligned} \nonumber$$

Тепер у нас є рекурсивне визначення, яке можна продовжити як

$$\begin{aligned} \sqrt{2} &=1+\frac{1}{1+\left(1+\frac{1}{1+\sqrt{2}}\right)} \\[4pt] &=1+\frac{1}{2+\frac{1}{1+\sqrt{2}}} \end{aligned} \nonumber$$

і так далі, що дає нескінченну безперервну дріб

$$\sqrt{2}=[1 ; \overline{2}] \nonumber$$

Іншим прикладом, який ми будемо використовувати пізніше, є продовжений дріб для$\pi$, чиї перші кілька термінів можна обчислити з

$$\begin{aligned} \pi &=3+0.14159 \ldots \\[4pt] &=3+\frac{1}{7.06251 \ldots} \\[4pt] &=3+\frac{1}{7+\frac{1}{15.99659 \ldots}} \end{aligned} \nonumber$$

і так далі, поступаючись початковій послідовності$\pi=[3 ; 7,15, \ldots]$. Історично важливе наближення першого порядку дається тим$\pi=[3 ; 7]=22 / 7=3.142857 \ldots$, що вже було відомо Архімеду в давнину.

Нарешті, щоб визначити продовження дробу для золотого перетину$\Phi$, ми можемо написати

$$\Phi=1+\frac{1}{\Phi} \nonumber$$

що є ще одним рекурсивним визначенням, яке можна продовжити як

$$\Phi=1+\frac{1}{1+\frac{1}{\Phi}} \nonumber$$

і так далі, поступаючись дивно простій формі

$$\Phi=[1 ; \overline{1}] . \nonumber$$

Оскільки всі$a_{i}$ кінцеві рівні одиниці, подальша частка для золотого перетину (та інших пов'язаних з ними чисел з кінцевими) сходиться особливо повільно. Крім того, послідовні раціональні наближення до золотого перетину - це всього лише відношення послідовних чисел Фібоначчі$1 / 1,2 / 1,3 / 2,5 / 3$, тобто і т.д. Через дуже повільного збіжності цієї послідовності скажемо, що золоте перетин найскладніше наблизити раціональним числом. Більш поетично золоте перетин було названо самим ірраціональним з ірраціональних чисел.

Оскільки золоте перетин - це саме нераціональне число, воно має спосіб несподівано з'явитися в природі. Одним з відомих прикладів є квіточки в головці соняшнику, про які ми розповімо в наступному розділі.