Teorie Diophantine přiblížení je odvětví teorie čísel , které studuje přiblížení reálných čísel racionálními ; pojmenovaný po Diofantovi Alexandrijském .
Prvním problémem byla otázka, jak dobře lze reálné číslo aproximovat čísly racionálními. Pro tento problém je racionální číslo a / b „dobrou“ aproximací reálného čísla α , pokud absolutní hodnotu rozdílu a / b a α nelze snížit nahrazením a / b jiným racionálním zlomkem menším. jmenovatel. Problém byl vyřešen v 18. století pomocí pokračovacích zlomků .
Pokud jsou známy „nejlepší“ aproximace daného čísla, hlavním úkolem oblasti je najít přesnou horní a dolní hranici výše uvedeného rozdílu, vyjádřenou jako funkce jmenovatele.
Zdá se, že hranice závisí na povaze reálných čísel – dolní hranice pro aproximaci racionálních čísel jiným racionálním číslem je větší než dolní hranice pro algebraická čísla , která je sama větší než dolní hranice pro reálná čísla. Reálná čísla, která lze lépe aproximovat než limit pro algebraická čísla, jsou tedy rozhodně transcendentální čísla . To umožnilo Liouville v roce 1844 získat první explicitně dané transcendentální číslo. Později pomocí podobné metody bylo prokázáno, že a jsou transcendentální.
Diofantovské aproximace a teorie transcendentálních čísel jsou tedy velmi blízké oblasti a mají mnoho obecných teorémů a metod. Diophantine přiblížení také mají důležité aplikace ve studiu rovnic Diophantine .
Poté, co Borel a Khinchin zjistili, že téměř všechna čísla připouštějí pouze „nejhorší aproximaci“ racionálními čísly, vznikl směr metrické teorie diofantických aproximací (teorie aproximací nezávislých veličin), která patří do klasické větve diofantinských aproximací. .
Nový trend přišel z nečekaného směru. Mahler, klasifikující transcendentální čísla, formuloval hlavní metrický problém teorie transcendentálních čísel – hypotézu o „mírě transcendence“ téměř všech čísel. Když byla domněnka prokázána, začalo se otevírat hluboké spojení mezi klasickou teorií diofantických aproximací a metrickou teorií transcendentálních čísel. Výsledkem byl vývoj nového směru – teorie aproximací závislých veličin.
V moderní teorii existují tři hlavní přístupy.
Vzhledem k reálnému číslu α existují dva způsoby, jak najít nejlepší diofantinskou aproximaci α . V první definici [2] je racionální číslo p / q nejlepší diofantinskou aproximací čísla α , pokud
pro jakékoli racionální číslo p' / q' jiné než p / q takové, že 0 < q ′ ≤ q .
Ve druhé definici [3] [4] , je výše uvedená nerovnost nahrazena
Nejlepší aproximace pro druhou definici je nejlepší pro první definici, ale obráceně to neplatí [5] .
Teorie spojitých zlomků umožňuje vypočítat nejlepší aproximaci reálného čísla - pro druhou definici se zlomky sbíhají jako obyčejné spojité zlomky [4] [5] [6] . Pro první definici je třeba vzít v úvahu také mezilehlé frakce [2] .
Poznámka : Souhlasíme s tím, že označímevhodnými zlomky daný pokračující zlomek. Zlomkytvoří rostoucí posloupnost pro sudé k a klesající posloupnostpro liché k . Krajní členy této posloupnosti jsou konvergenty stejné parity. Pojmy mezilehlé mezi nimi se nazývají mezizlomky [7] .Například konstanta e = 2,718281828459045235… je reprezentována jako spojitý zlomek
Její nejlepší výkony podle druhé definice
Zatímco podle první definice by byly nejlepší reprezentace
Zřejmá míra přesnosti diophantinské aproximace reálného čísla α racionálním číslem p / q je . Tato hodnota však může být vždy libovolně malá zvýšením absolutních hodnot p a q . Z tohoto důvodu se přesnost aproximace obvykle porovnává s nějakou funkcí φ ve jmenovateli q , obvykle se zápornou mocninou jmenovatele.
Pro takový odhad lze použít horní mez dolních mezí přesnosti. Dolní mez je obvykle popsána větou jako „Pro libovolný prvek α nějaké podmnožiny reálných čísel a jakékoli racionální číslo p / q máme “. V některých případech může být „jakékoli racionální číslo“ nahrazeno „všemi racionálními čísly kromě konečného čísla“ a toto číslo se vezme v úvahu vynásobením φ nějakou konstantou závisející na α .
U horních odhadů lze vzít v úvahu skutečnost, že ne všechny „nejlepší“ diofantické aproximace získané při konstrukci spojitého zlomku mohou poskytnout požadovanou přesnost. Proto mají věty tvar „Pro jakýkoli prvek α nějaké podmnožiny reálných čísel existuje nekonečně mnoho racionálních čísel p / q takových, že “.
Špatně aproximované číslo je číslo x , pro které existuje kladná konstanta c taková, že pro všechna racionální p / q máme
Špatně aproximovaná čísla jsou přesně čísla s omezenými parciálními kvocienty [8] .
Racionální číslo lze samozřejmě dokonale aproximovat čísly pro jakékoli kladné celé číslo i .
Pokud máme
protože je to kladné celé číslo, a proto není menší než 1. Tato přesnost aproximace je špatná s ohledem na iracionální čísla (viz další část).
Je vidět, že výše uvedený důkaz používá variantu Dirichletova principu - nezáporné číslo ne rovné 0, ne menší než 1. Tato zjevně triviální poznámka se používá téměř ve všech důkazech pro spodní hranice diofantických aproximací, dokonce i ty složitější.
Abych to shrnul, racionální číslo je dokonale aproximováno samo o sobě, ale špatně aproximováno jakýmkoli jiným racionálním číslem.
Ve 40. letech 19. století získal Joseph Liouville první dolní odhad pro aproximaci algebraických čísel — je-li x iracionální algebraické číslo stupně n nad racionálními čísly, pak existuje konstanta c ( x ) > 0 taková, že
pro všechna celá čísla p a q , kde q > 0 .
Tento výsledek mu umožnil získat první prokázaný příklad transcendentálního čísla, Liouvillovu konstantu :
,který nesplňuje Liouvilleův teorém, ať je zvolena jakákoli mocnina n .
Toto spojení mezi diofanskými aproximacemi a teorií transcendentálních čísel je pozorováno až do současnosti. Pro tyto dvě oblasti je společných mnoho důkazních technik.
Po více než století došlo k mnoha pokusům o vylepšení Liouvillova teorému – každé zlepšení hranice nám umožňuje dokázat transcendenci více čísel. Zásadní vylepšení provedli Axel Thue [9] , Karl Siegel [10] , Freeman Dyson [11] a Klaus Roth [12] , což nakonec vedlo k Thue-Siegel-Rothově větě - Jestliže x je iracionální algebraické číslo a ε , (malé) kladné reálné číslo, pak existuje kladná konstanta c ( x , ε ) taková, že
pro libovolná celá čísla p a q taková, že q > 0 .
V jistém smyslu je tento výsledek optimální, protože tvrzení věty selhává pro ε =0. Toto je přímý důsledek horních hranic popsaných níže.
Následně to Wolfgang Schmidt zobecnil na případ společných aproximací a dokázal, že pokud x 1 , ..., x n jsou algebraická čísla taková, že 1, x 1 , ..., x n jsou lineárně nezávislá na racionálních číslech , a je dáno jakékoli kladné reálné číslo ε , pak existuje pouze konečně mnoho racionálních n - tic ( p 1 / q , ..., p n / q ) tak, že
Tento výsledek je opět optimální v tom smyslu, že ε nelze z exponentu odstranit.
Všechny předchozí dolní odhady nejsou účinné , v tom smyslu, že důkaz neposkytuje způsob, jak vypočítat konstantu v příkazu. To znamená, že není možné použít důkaz věty k získání mezí pro řešení odpovídající diofantinské rovnice. Tato technika však může být často použita k omezení počtu řešení takové rovnice.
Feldmanovo upřesnění Bakerovy věty však poskytuje efektivní hranici — jestliže x je algebraické číslo stupně n nad racionálními čísly, pak existují efektivně vyčíslitelné konstanty c ( x ) > 0 a 0 < d ( x ) < n takové že
platí pro všechna racionální čísla.
Jako u každé efektivní verze Bakerovy věty jsou však konstanty d a 1/ c tak velké, že tento efektivní výsledek nelze v praxi aplikovat.
Prvním důležitým výsledkem o horních odhadech pro diofantické aproximace je Dirichletova věta o aproximaci , která implikuje, že pro každé iracionální číslo α existuje nekonečně mnoho zlomků , takže:
.Okamžitě z toho vyplývá, že se nelze zbavit ε v tvrzení Thue-Siegel-Rothovy věty.
O několik let později byla tato věta vylepšena na následující Borelovu větu (1903) [13] . Pro každé iracionální číslo α existuje nekonečně mnoho zlomků takových, že:
.Je tedy horní mez diofantických aproximací jakéhokoli iracionálního čísla. Konstantu v tomto výsledku nelze zlepšit bez odstranění některých iracionálních čísel (viz níže).
Definice : Dvě reálná čísla se nazývají ekvivalentní [14] [15] , pokud existují celá čísla s , takže:
Ekvivalence je definována celočíselnou Möbiovou transformací přes reals, nebo členem modulární skupiny , množiny invertibilních 2×2 matic přes celá čísla. Každé racionální číslo je ekvivalentní 0. Racionální čísla jsou tedy třídou ekvivalence tohoto vztahu.
Tato ekvivalence může pokrýt běžné pokračující zlomky, jak ukazuje následující Serretova věta :
Věta : Dvě iracionální čísla x a y jsou ekvivalentní právě tehdy, když existují dvě kladná celá čísla h a k taková, že když x a y jsou reprezentovány jako spojité zlomky
provedeno
pro libovolné nezáporné celé číslo i . [16]
Jak bylo uvedeno výše, konstantu v Borelově větě nelze zlepšit, jak ukázal Hurwitz v roce 1891 [17] . Nechť je zlatý řez . Pak pro jakoukoli reálnou konstantu existuje pouze konečně mnoho racionálních čísel p / q takových, že
Zlepšení lze tedy dosáhnout pouze odstraněním čísel ekvivalentních . Přesněji [18] [19] : Pro každé racionální číslo , které není ekvivalentní , existuje nekonečně mnoho zlomků takových, že
Postupným odstraňováním tříd ekvivalence – každá musí vyloučit čísla, která jsou ekvivalentní – lze zvýšit spodní hranici. Hodnoty, které lze získat jako výsledek tohoto procesu, jsou Lagrangeova čísla , která jsou součástí Lagrangeova spektra . Konvergují ke 3 a souvisí s Markovovými čísly [20] [21] .
Nechť je nerostoucí funkce z kladných čísel na kladná reálná čísla. Reálné číslo x (ne nutně algebraické) se nazývá - aproximovatelné , pokud existuje nekonečně mnoho racionálních čísel p / q takových, že [22]
Khinchin v roce 1926 dokázal, že pokud se posloupnost diverguje, pak jsou téměř všechna reálná čísla (ve smyslu Lebesgueovy míry ) -přibližná a v případě konvergence posloupnosti téměř žádné reálné číslo není -přibližné.
Duffin a Shaffer [23] dokázali obecnější teorém, ze kterého Khinchinův výsledek vyplývá, a učinili domněnku nyní známou jako Duffin-Schafferova domněnka [24] . Beresnevich a Velani [25] dokázali, že analogie Duffin-Schafferovy domněnky o Hausdorffově míře je ekvivalentní původní Duffinově-Schafferově domněnce, která je a priori slabší.
Důležitým příkladem funkce , na kterou lze aplikovat Khinchinovu větu, je funkce , kde c > 1. Pro tuto funkci odpovídající řady konvergují, takže podle Khinchinovy věty má množina -aproximovatelných čísel nulovou Lebesgueovu míru na reálná osa. Jarnik - Besicovitchův teorém říká , že Hausdorffova dimenze této množiny je [26] . Konkrétně množina čísel -přibližná pro některá (známá jako velmi dobře přibližná čísla ) má dimenzi jedna, zatímco množina čísel -přibližná pro všechna (známá jako Liouvilleova čísla ) má Hausdorffovu dimenzi nula.
Dalším důležitým příkladem je funkce where . Pro tuto funkci se odpovídající posloupnosti rozcházejí a podle Khinchinovy věty jsou téměř všechna čísla -přibližná. Jinými slovy, tato čísla jsou dobře aproximovaná (to znamená, že nejsou špatně aproximovaná). Analoga Yarnick-Besicovitchovy věty se tedy musí týkat Hausdorffovy dimenze špatně aproximovaných čísel. A Yarnik skutečně dokázal, že Hausdorffova dimenze množiny takových čísel je rovna jedné. Tento výsledek vylepšil Schmidt , který ukázal, že množina špatně aproximovatelných čísel je nestlačitelná v tom smyslu, že jestliže je posloupnost bi- Lipschitzových zobrazení, pak Hausdorffova dimenze množiny čísel x , pro kterou jsou všechna špatně aproximovatelné, rovná se jedné. Schmidt zobecnil Jarnickovu větu na vyšší dimenze, což je významný úspěch, protože Jarnickovo uvažování o pokračujících zlomcích silně spoléhá na jednorozměrnost prostoru.
Další studovanou oblastí je teorie ekvidistribuované posloupnosti modulo 1 . Vezměme posloupnost a 1 , a 2 , … reálných čísel a uvažujme jejich zlomkové části . To je, více formálně, zvažovat sekvenci v R/Z , která je cyklická (lze si představit jako kruh). Pro libovolný interval I na kružnici uvažujeme zlomek prvků až do nějakého celého čísla N , které leží uvnitř intervalu, a porovnáme tuto hodnotu se zlomkem kruhu, který zabírá interval I . Rovnoměrná distribuce znamená, že v limitu, jak N roste , má zlomek zásahů v intervalu tendenci k „očekávané“ hodnotě. Weyl dokázal základní výsledek, že to je ekvivalentní ohraničenosti Weylových součtů vytvořených z posloupnosti. To ukazuje, že diofantické aproximace úzce souvisí s obecným problémem vzájemného zrušení ve Weylových součtech (odhady zbytku), které se objevují v analytické teorii čísel .
Tématem souvisejícím s rovnoměrným rozdělením je téma nerovnoměrného rozdělení , které má kombinatorickou povahu.
Stále existují jednoduše formulované, ale nevyřešené problémy diofantinských aproximací, jako je Littlewoodova domněnka a domněnka osamělého běžce . Také není známo, zda existují algebraická čísla s neomezenými koeficienty v expanzi kontinuálního zlomku.
Na plenárním zasedání Mezinárodního kongresu matematiků v Kjótu (1990) Grigory A. Margulis nastínil široký program založený na ergodické teorii , který umožňuje dokázat výsledky teorií čísel pomocí dynamických a ergodických vlastností podskupinových akcí poloprosté lži . skupiny . Práce D. Ya Kleinbocka a G. A. Margulise (se spoluautory) demonstruje sílu tohoto nového přístupu ke klasickým problémům diofantických aproximací. Mezi pozoruhodné úspěchy patří Margulisův důkaz Oppenheimovy domněnky předložené před desítkami let s dalšími rozšířeními (Dani a Margulis, Eskin-Margulis-Moses) a důkaz Kleinbocka a Margulise o Bakerových a Sprindzhukových domněnkách o diofantických aproximacích na rozdělovače. Pomocí této metody byla získána různá zobecnění výše uvedených Khinchinových výsledků na metrických diofantických aproximacích.