А. Устинов
Всякое рациональное число p/q можно представить в виде конечной цепной дроби
| p |
= a0 + |
1 |
= [a0; a1, …, an]. |
||
| q |
a1 + … |
||||
| + |
1 an |
||||
Числа, входящие в цепную дробь, называются неполными частными, из них a1, …, an — натуральные, a0 — целое. Иррациональные числа разлагаются в бесконечные цепные дроби.
Обрывая цепную дробь, можно получать очень хорошие рациональные приближения к данному числу, которые называются подходящими дробями (нумерация подходящих дробей, как и неполных частных, начинается с нуля). Для числа
π = [3; 7, 15, 1, 292, 1, …]
с древних времён известны приближения
| 22 7 |
= [3; 7] и |
355 113 |
= [3; 7, 15, 1]. |
При этом
| π – |
22 7 |
< 1, 3 · 10–3, |
π – |
355 113 |
< 2, 7 · 10–7. |
Квадратичные иррациональности (иррациональные корни квадратных уравнений с целыми коэффициентами), и только они, раскладываются в периодические цепные дроби. Например (черта отмечает период),
√5 = [2; 4, 4, 4, …] = [2; 4],
| √13 = [3; |
1, 1, 1, 1, 6 |
], |
Если, разорвав прямоугольный лист бумаги пополам, мы хотим получить два новых листа с тем же отношением сторон, то стороны исходного листа должны относиться друг к другу как √2 : 1. Именно таким свойством обладают форматы бумаги серии A (A0, A1, …). Размеры стандартного листа бумаги A4 — 210×297 мм. Их отношение
| 297 210 |
= |
99 70 |
= [1; 2, 2, 2, 2, 2] |
есть пятая подходящая дробь к числу √2 = [1; 2]. Разница между ними на глаз не заметна:
| √2 – |
297 210 |
< 7, 3 · 10–5. |
Произведение сторон листа (в метрах) мало отличается от 1/16:
| 0, 297 · 0, 210 – |
1 16 |
= 1, 3 · 10–4. |
Это связано с тем, что лист A4 составляет 1/24 = 1/16 от ватманского листа A0, площадь которого равна 1 м2.
Отношение напряжений в трёхфазных электрических сетях
| 380 220 |
= |
19 11 |
= [1; 1, 2, 1, 2], |
| 220 127 |
= [1; 1, 2, 1, 2, 1, 3, 2] |
— это хорошие приближения к числу
| √3 = [1; 1, 2, 1, 2, …] = [1; |
1, 2 |
]. |
Подходящие дроби к длине солнечного года, измеренного в солнечных сутках, —
365, 24219… = [365; 4, 7, 1, 3, 5, …]
— позволяют строить календарные стили.
Первая подходящая дробь 365 1/4 соответствует юлианскому стилю, в котором каждый четвёртый год — високосный. В средние века от него отказались, поскольку он даёт заметную ошибку: 11 минут 14 секунд в год.
Третья подходящая дробь [365; 4, 7, 1] = 365 8/33 лежала в основе персидского календаря, который в 1079 году предложил математик, астроном и поэт Омар Хайям. Такой календарь за год ошибается на 19 секунд. В нём все годы разбиты на 33-летние циклы, внутри цикла семь раз високосным считается каждый четвёртый год, а на восьмой раз — пятый.
Календарь, основанный на следующем (четвёртом) приближении [365; 4, 7, 1, 3] = 365 31/128 предлагался астрономом Иоганном Генрихом Медлером в 1864 году.
Мы живём по григорианскому стилю, использующему приближение 365 97/400. . Этот календарь ошибается примерно на 27 секунд в год.
Голландский учёный Христиан Гюйгенс в 1862 году построил один из первых механических планетариев. Теорию цепных дробей он применил при проектировании зубчатых колёс, что обеспечило высокую точность во взаимном движении моделей планет.
В ботанике известно явление филлотаксиса — спиралевидного расположения листьев, колючек, чешуек, семян, … Если посчитать количество спиралей, закручивающихся в одну и в другую стороны, то, как правило, получатся два соседних числа Фибоначчи, т.е. числа из последовательности
{Fn} = {0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, …},
в которой
F0 = 0, F1 = 1, Fn+1 = Fn + Fn–1 (n ≥ 1).
Так, на сосновой шишке есть 3 спирали, закручивающиеся в одну сторону, и 5 — в другую. На еловой — 5 и 8 спиралей соответственно, на кедровой — 8 и 13. Отношения соседних чисел Фибоначчи раскладываются в очень простые цепные дроби, например,
| 5 3 |
= [1; 1, 1, 1], |
8 5 |
= [1; 1, 1, 1, 1]. |
Это подходящие дроби к числу, называемому золотым сечением:
| 1 + √5 |
= 1 + |
1 |
= [1]. |
||
| 2 |
1 + … |
||||
| + |
1 1 + … |
||||
Расположение листьев по таким спиралям позволяет растениям получать наибольшее количество солнечных лучей.
На рисунках 1 и 2 изображён «чертёж» сосновой шишки.
|
Рис.1. |
Рис.2. |
Представьте, что эти квадраты вырезаны из бумаги и склеены в цилиндры (левая сторона склеена с правой, а заштрихованные квадраты одного цвета наклеены друг на друга). Тогда повёрнутые квадраты будут располагаться на цилиндре так же, как располагаются чешуйки на сосновой шишке. На рисунке 1 видно 3 спирали, закрученные в одну сторону, а на рисунке 2 — 5 спиралей, закрученных в другую. Попробуйте нарисовать «чертёж» еловой шишки с 5 и 8 спиралями. Воспользуйтесь для этого миллиметровой бумагой, вам понадобится квадрат 89×89.
Со времён Баха в музыке используется равномерно темперированная шкала, содержащая 12 полутонов в каждой октаве. Если струна длины l (при заданном натяжении) издаёт звук «до» первой октавы, соответствующий частоте f, равной 512 колебаниям в секунду, то струна длиной 2/3l (на струнных инструментах эта длина получается нажатием пальца в соответствующем месте) издаёт звук, имеющий частоту 3/2f (натуральная квинта), а струна длиной 1/2l издаёт звук, имеющий частоту 2f (октава). Наше ухо при сравнении двух звуков улавливает не отношение их частот, а логарифм этого отношения. Естественней всего брать двоичный логарифм, чтобы интервал в одну октаву измерялся как единица:
| log2 |
2f f |
= 1. |
Почему же возникло деление октавы именно на 12 интервалов? Чтобы октава и натуральная квинта по возможности более точно укладывались в одну и ту же равномерную темперацию (деление октавы на равные по слуху интервалы), октаву нужно поделить на столько частей, чтобы число log2 (3/2) хорошо приближалось дробью с выбранным знаменателем. Подходящими дробями к числу
| log2 |
3 2 |
= [0; 1, 1, 2, 2, 3, 1, …] |
будут дроби
| 1 1 |
, |
1 2 |
, |
3 5 |
, |
7 12 |
, … |
Приближения 1 и 1/2 слишком грубые. Приближение 3/5 соответствует пентатонике, существовавшей у народов Востока, а приближение 7/12 — самое удачное. Погрешность
| log2 |
3 2 |
– |
7 12 |
< 1, 7 · 10–3 |
на слух неразличима.