輾轉相除法 | 最大公約數 | 連分數

2021-02-13 數學教學研究

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用輾轉相除法可以求得被除數與除數的最大公約數。最大公約數簡記為 g. c. d.,即greatest  common devisor的首字母縮寫。

當然,有了最大公約數,也就可以容易地求出兩數的最小公倍數。最小公倍數簡記為 l. c. m.,即 least common multiple的首字母縮寫 。若設被除數與除數分別為a和b,兩者的最大公約數為(a,b),則兩者的最小公倍數為

比如,a=24,b=18,則(a,b)= 6,所以,a與b的最小公倍數為24乘以18再除以6,得72。

在用輾轉相除法求最大公約數的同時,可以得到以這兩個數為分子分母的分數的連分數表示。這個非常重要,於是,很多概念就相通了。

下圖為上面這些過程的直觀表示:

注意一下,上面的連分數有一個很有趣的現象:若把上圖中的連分數進行計算出來,結果一定是回到50/21,即一定得到既約分數(分子分母只有1為它們的公因子的分數),而不會得到300/126,雖然300/126和50/21相等且連分數表示也相同。

因為一個有理數可以表示成p/q的形式,所以輾轉相除法一定可以在有限步之後結束,也就是說,有理數可以表示成有限連分數的形式。

建議用筆在紙上進行輾轉相除法的練習。一定要多練習才能獲得感性認知,從而再上升到理性思維。

無理數也可以表示成連分數的形式,這樣的連分數一定是無限連分數。可以用無限連分數的漸近分數來近似表示這個無理數,並且可以精確到你想要的任何精確度。比如可以用無限連分數表示π。π的小數表示為:

π的連分數表示為:

π的漸近分數越來越精確:

(上式中包含了祖衝之的約率和密率)。至於如何從理論上得到π的連分數表示,可能有很大難度。我們可以做的是,從我們早已得知的π的小數表示(精確到小數點後幾十萬位應用是有的)出發,來獲得π的連分數表示。仍然是用輾轉相除法。輾轉相除法不僅可以用於兩個整數之間,也同樣可以用於無限不循環小數與整數之間。下面我們就給出把π表示成連分數的簡單過程,所取小數的位數越多,連分數的部分商也越準確。下圖所示的精確度,可以使得連分數的部分商取到前8個都是正確的。

輾轉相除法也叫做歐幾裡得算法,這個算法出現在《幾何原本》第七篇中。仍以上面的300/126為例,歐幾裡得算法如下:

因優美的連分數太佔地方,所以,有兩種簡略的寫法,比如:

上面倒數第二個寫法中,第二個加號「+」一定要寫在分母之間,這樣才表示實際上是連分數。而上面最後方括號括起來的寫法,叫做連分數的部分商表示法,它最簡潔。注意,上面三種寫法是相通的,應該能夠從其中一種寫法推出其他兩種寫法。

下期可能要應讀者的需求,介紹無理數(1+根號5)/2即黃金比(大PHI)是如何表示為連分數的(一種最簡單潔的連分數),並且介紹它與斐波那契數列的關係。

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