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无理数性度量


x 为一个实数,并设 R集合,其中包含使得下式成立的实数 mu

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

对于 p/q,至多有有限多个解 pq 整数。那么,无理数性度量(有时称为刘维尔-罗斯常数或无理数性指数)被定义为刘维尔逼近定理开始生效,并且 x 不再能被有理数逼近的阈值,

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

其中 inf_(mu in R)mu下确界。如果集合 R 为空,则 mu(x) 被定义为 mu(x)=infty,并且 x 被称为刘维尔数。对于非空 R,存在三种可能的机制:

 {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)

其中过渡情况 mu(x)=2 可能对应于 x 是度数 >1代数数或者 x超越数。证明对于代数数 xmu(x)=2 是一个困难的结果,Roth 因此获得了菲尔兹奖

无理数性度量的定义等价于以下陈述:如果 x 的无理数性度量为 mu,则 mu 是使得不等式

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

对于任何 epsilon>0 和所有足够大的 q 的整数 pq 成立的最小数。

一个无理数 x 的无理数性度量可以用其简单连分数展开式 x=[a_0,a_1,a_2,...] 及其收敛项 p_n/q_n 表示为

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,黄金比例 phi 具有

 mu(phi)=2,
(7)

这直接从 (6) 和简单连分数展开式 phi=[1,1,1,...] 得出。

精确值包括 mu(L)=infty,对于 L 刘维尔常数,以及 mu(e)=2 (Borwein 和 Borwein 1987, pp. 364-365)。截至 2020 年年中,其他常见常数的已知最佳上限总结在下表中,其中 zeta(3)阿佩里常数Ln_q(2)h_q(1)q-调和级数,下限均为 2。

常数 x上限参考文献
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)

对于 pi 的界限归功于 Zeilberger 和 Zudilin (2020),并在 Salikhov (2008) 先前发现的值 7.606308 上有所改进。它的精确值如下给出。设 N_+/- 为复共轭根

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

N_3 为正实根,并设

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)

则界限由下式给出

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

Alekseyev (2011) 表明,弗林特山级数的收敛性问题与 pi 的无理数性度量相关,特别是,收敛将暗示 mu(pi)<=2.5,这比目前已知的最佳上限要强得多。


另请参阅

代数数, 刘维尔逼近定理, 有理数, 罗斯定理, 超越次数, 超越数

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参考文献

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." [俄语]. 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. 翻译于 Dokl. Math. 76, No. 3, 955-957, 2007.Salikhov, V. Kh. "On the Irrationality Measure of pi." Usp. Mat. Nauk 63, 163-164, 2008. 英文翻译于 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 Wolfram|Alpha 中被引用

无理数性度量

请引用为

Weisstein, Eric W. "Irrationality Measure." 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/IrrationalityMeasure.html

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