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1. 개요
連分數 / continued fraction분모가 정수와 분수의 합으로 연달아 표기되는 분수. 일반적으로 유리수는 두 정수의 비로 나타낼 수 있고 무리수는 그럴 수 없지만, 연분수라는 특수한 분수를 사용하면 무리수도 분수로 나타낼 수는 있다. 다만, 어떤 수를 연분수로 나타낼 때, 유리수라면 언젠가는 끝이 나지만 무리수라면 연분수가 한없이 이어진다. 후술했듯이 어떤 무리수의 근사치인 유리수, 즉 근사분수를 찾기 위해서도 연분수가 쓰인다.
2. 전개 방법
가장 기본적으로는, 전개하고자 하는 수를 정수 부분과 소수 부분으로 나눈 뒤, 그 소수 부분의 역수를 취하는 조작을 반복한다. [math(\dfrac{12}7)]를 연분수로 전개해보자.[math(\dfrac{12}7 = 1+\dfrac57 = 1+\cfrac1{\cfrac75} = 1+\cfrac1{1+\cfrac25} = 1+\cfrac1{1+\cfrac1{\cfrac52}} = 1+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac12}} )]
이 방법을 쓰면 연분수의 모든 분자 자리가 1이 되는데, '여러 무리수의 연분수 전개' 문단에서 보듯이 꼭 이렇게 해야만 수학적으로 옳은 것은 아니다.
다만, 일반적으로 분자를 1로 고정하는 것은 다른 표기법과의 호환이 되기 때문에 권장되는 편이다. 예를 들어서 위에 있는 [math(\displaystyle \frac{12}{7})]의 경우는 [math(\left[1;1,2,2\right])]나 [math(\left<1,1,2,2\right>)]로 표기할 수 있다.
또한, 만약 반복되는 순환마디가 존재한다면, 순환소수와 마찬가지로 해당하는 순환마디에 윗줄을 그어서 표기한다. 예를 들어서 [math(\sqrt{3})]의 경우는 [math(\left[1;\overline{1, 2}\right])]나 [math(\left<1,\overline{1, 2}\right>)]로 표기할 수 있다.
여기에 만약 어떤 연분수 [math(\xi)]가 순환마디를 가지는 순수 순환연분수[1]라면 이 연분수는 이차 무리수[2]이며, 동시에 [math(\xi>1)]이고, [math(\overline{\xi})][3]는 [math(-1<\overline{\xi}<0)]을 만족한다.
3. 근사분수
convergents · 近似分數앞서 설명했듯이, 전개하고자 하는 수를 정수 부분과 소수 부분으로 나눈 뒤, 그 소수 부분의 역수를 취하는 조작을 반복하여 얻는 연분수의 모든 분자 자리는 1이 된다. 이렇게 연분수로 전개해가다가, 특별히 큰 수가 등장하면 거기에서 전개를 멈추고, 그 수가 나오기 바로 전까지의 연분수를 계산해서 얻는 값이 해당 무리수의 근사치인 유리수가 된다. 이 수를 근사분수라고 한다. 그 '특별히 큰 수'가 크면 클수록 정밀도 높은 근삿값이 나온다. 예를 들어 [math(\pi)]의 근사치인 유리수를 찾아보자. [math(\pi)]는 무리수이므로 [math(\pi)]를 이 방법으로 전개하면 다음과 같이 한없이 이어진다.
[math(\pi=3+\cfrac1{7+\cfrac1{15+\cfrac1{1+\cfrac1{292+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }} )]
여기에서 292라는 특별히 큰 수가 등장하였으므로, 그 바로 전에서 끊은 후 그 값을 계산하면 된다. 곧,
[math(3+\cfrac1{7+\cfrac1{15+\cfrac1{1} }} = \dfrac{355}{113} (\approx 3.
1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510
5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679
8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128
4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 5493038196
4428810975 6659334461 2847564823 3786783165 2712019091
4564856692 3460348610 4543266482 1339360726 0249141273
7245870066 0631558817 4881520920 9628292540 9171536436
7892590360 0113305305 4882046652 1384146951 9415116094
3305727036 5759591953 0921861173 8193261179 3105118548
0744623799 6274956735 1885752724 8912279381 8301194912
9833673362 4406566430 8602139494 6395224737 1907021798
6094370277 0539217176 2931767523 8467481846 7669405132
0005681271 4526356082 7785771342 7577896091 7363717872
1468440901 2249534301 4654958537 1050792279 6892589235
4201995611 2129021960 8640344181 5981362977 4771309960
5187072113 4999999837 2978049951 0597317328 1609631859
5024459455 3469083026 4252230825 3344685035 2619311881
7101000313 7838752886 5875332083 8142061717 7669147303
5982534904 2875546873 1159562863 8823537875 9375195778
1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989 ) )]
가 바로 [math(\pi)]의 근삿값이다. 참고로 [math(\pi\approx 3.
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1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989 )]이다.
물론, 연분수 계산을 많이 진행할수록 값은 정확해지겠지만 그 계산 결과는 매우 복잡해질 것이다. 적당한 선에서 간결한 근삿값을 얻고 싶다면, 연분수 계산 도중 특별히 큰 수가 나오면 거기서 끊어 버리면 된다.
한편, 극히 예외적인 경우로는 황금수
[math(\varphi = \dfrac{1+\sqrt5}2 = 1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }} )]
가 있다. 모든 정수 부분에 계속해서 1만 나오는데, 이 방법으로는 [math(\varphi)]의 근사치가 되는 마땅한 유리수를 찾을 수 없다. 이런 경우는 달리 찾아볼 수가 없다.[4]
짝수 근사분수는 실제 값보다 작고 홀수 근사분수는 실제 값보다 크다.
4. 여러 무리수의 연분수 전개
아래는 각각 [math(sqrt2)], [math(sqrt3)], 황금수, 원주율, 자연로그의 밑, 오메가 상수, 겔폰트-슈나이더 상수, 겔폰트 상수의 연분수 전개이다. 뒤의 대괄호로 묶인 부분은 다른 표기법이다.- [math(\displaystyle\sqrt2=1+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{2+\cfrac1{\ddots}} }} }} }}=\left[1;\overline{2}\right])]
- [math(\sqrt3=1+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }} }}=\left[1;\overline{1, 2}\right])]
- [math(\varphi=\dfrac{1+\sqrt5}2 = 1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }}=\left[1;\overline{1}\right]\textrm{ or }\left[\overline{1}\right])]
- [math(\displaystyle \pi=3+\cfrac{1^2}{6+\cfrac{3^2}{6+\cfrac{5^2}{6+\cfrac{7^2}{6+\cfrac{9^2}{6+\cfrac{11^2}{6+\cfrac{13^2}{6+\cfrac{15^2}{\ddots}} }} }} }} = 3+\cfrac1{7+\cfrac1{15+\cfrac1{1+\cfrac1{292+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }} =\cfrac4{1+\cfrac{1^3}{2+\cfrac{3^2}{2+\cfrac{5^2}{2+\cfrac{7^2}{2+\cfrac{9^2}{\ddots}} }} }} )]
- [math(e= 2+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac2{3+\cfrac3{4+\cfrac4{5+\cfrac5{\ddots}} }} }}=2+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{4+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{6+\cfrac1{\ddots}}}}}}}}})]
- [math(\Omega= W(1)= \cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{2+\cfrac5{3+\cfrac{17}{10+\cfrac{133}{\ddots}} }} }})][5]
- [math(2^{\sqrt 2} = 2+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{72+\cfrac1{3+\cfrac1{\ddots}} }} }})]
- [math(e^{\pi} = (-1)^{-i} = 23+\cfrac1{7+\cfrac1{9+\cfrac1{3+\cfrac1{1+\cfrac1{1+\cfrac1{\ddots}} }} }})]
5. 기타
수를 넣으면 연분수로 전개시켜 주는 사이트도 있다.#모든 무한연분수는 무리수이고(단, 분자에 0만 반복되는 경우는 제외한다.), 모든 유한연분수는 유리수이다.
여담으로, 2부터 99까지의 제곱수가 아닌 수의 제곱근을 연분수로 만들었을 경우, 가장 순환마디가 큰 수는 [math(\sqrt{94})]의 15자리이며 그 다음은 [math(\sqrt{76})]의 12자리이다.
[1] 괄호 표기법 기준으로 첫번째 숫자, 혹은 두번째 숫자부터 순환마디인 연분수[2] 2차방정식의 해가 되는 무리수를 의미[3] 이차방정식의 켤레근[4] 여기에서 중간을 끊어 버리면, 피보나치 수열의 항의 비율 [math(F_n/F_{n-1} )]이 된다. 바꿔 말하면, [math(F_n/F_{n-1} )]은 극한값인 [math(\varphi)]로 매우 느리게 수렴한다. 상대오차 기준으로 [math(\varphi)]와 [math(2584/1597)]가 [math(\pi)]와 [math(355/113)]보다 약간 떨어지는 정밀도로, 정밀도를 높이려면 어마어마하게 큰 피보나치 수가 필요하단 걸 알 수 있다. 피보나치 수열 참고.[5] [math(W)]는 람베르트 W 함수이다.