Farey sequence and approximation of irrational numbers II

Đây là phần II, các bạn xem lại phần I ở đây https://nttuan.org/2008/04/02/farey-sequence-and-approximation-of-irrational-numbers-i/

Bây giờ chúng tôi sẽ sử dụng các dãy Farey để chứng minh lại một số kết quả về xấp xỉ số vô tỷ bởi số hữu tỷ (xem thêm [1]).

Định lý 4 (Dirichlet, 1842). Cho số vô tỷ $\displaystyle \alpha$ . Khi đó có vô hạn phân số tối giản $\displaystyle \frac{a}{q}$ sao cho

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|<\frac{1}{q^2}.$ Hơn nữa ta có thể chọn $\displaystyle q$ lớn tùy ý.

Chứng minh. Không mất tính tổng quát ta giả sử $\displaystyle 0<\alpha<1.$ Ta có thể chọn $\displaystyle a=0,q=1$ để được một phân số tối giản thỏa mãn. Giả sử ta đã xây dựng được một vài phân số, ta sẽ chỉ ra một phân số khác cũng thỏa mãn bất đẳng thức trong định lý nhưng khác tất cả các phân số này. Chọn số nguyên dương $\displaystyle n$ đủ lớn sao cho $\displaystyle \frac{1}{n}$ nhỏ hơn tất cả các khoảng cách từ $\displaystyle \alpha$ đến các phân số đã được tìm. Số $\displaystyle \alpha$ sẽ nằm giữa hai phần số liên tiếp $\displaystyle a/b<c/d$ của $\displaystyle F_n$ , giả sử $\displaystyle b\geq d$ . Vì $\displaystyle \frac{c}{d}-\dfrac{a}{b}=\frac{1}{bd}\leq\frac{1}{b+d-1}\leq\frac{1}{n}$ nên cả $\displaystyle a/b$ và $\displaystyle c/d$ đều khác tất cả các phân số trước, mà $\displaystyle |\alpha-c/d|<\frac{1}{bd}<\frac{1}{d^2},$ suy ra ta có thể chọn $c/d$ là phân số tiếp theo. $\Box$

Định lý 5 (Hurwitz, 1891). Cho số vô tỷ $\displaystyle \alpha$ . Khi đó có vô hạn phân số tối giản $\displaystyle \frac{a}{q}$ sao cho

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|<\frac{1}{\sqrt{5}q^2}.$ Hơn nữa ta có thể chọn $\displaystyle q$ lớn tùy ý. Với số thực $\displaystyle A>\sqrt{5},$ chỉ có hữu hạn phân số tối giản $\displaystyle \dfrac{a}{q}$ sao cho

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|<\frac{1}{Aq^2},$ ở đây $\displaystyle \alpha=\dfrac{\sqrt{5}-1}{2}.$

Chứng minh. Không mất tính tổng quát ta giả sử $\displaystyle 0<\alpha<1.$ Xét một số nguyên dương $\displaystyle n$ bất kỳ. Số $\displaystyle \alpha$ sẽ nằm giữa hai phần số liên tiếp $\displaystyle a/b<c/d$ của $\displaystyle F_n$ . Ta chỉ cần chứng minh một trong ba phân số $\displaystyle \frac{a}{b},$ $\displaystyle \frac{c}{d}$ , và $\displaystyle \frac{a+c}{b+d}$ thỏa mãn bất đẳng thức trong định lý, phần sau sẽ làm như trong chứng minh định lý 4. Giả sử $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{a+c}{b+d}<\alpha<\frac{c}{d}$ và cả ba phân số đều không thỏa mãn bất đẳng thức trong định lý, nghĩa là

$\displaystyle \alpha-\frac{a}{b}\geq \frac{1}{\sqrt{5}b^2},\quad\alpha-\frac{a+c}{b+d}\geq\frac{1}{\sqrt{5}(b+d)^2},\quad \frac{c}{d}-\alpha\geq\frac{1}{\sqrt{5}d^2}.$ Cộng theo vế bất đẳng thức thứ nhất với thứ ba, thứ hai với thứ ba ta được $\displaystyle \frac{\sqrt{5}}{bd}\geq\frac{1}{b^2}+\frac{1}{d^2},\quad \frac{\sqrt{5}}{d(b+d)}\geq \frac{1}{(b+d)^2}+\frac{1}{d^2}.$ Đặt $\displaystyle b/d=t$ , từ trên ta có một hệ bất phương trình bậc hai ẩn $\displaystyle t$ , giải hệ này ta có $\displaystyle t=\dfrac{\sqrt{5}-1}{2}\not\in\mathbb{Q}$ , vô lí.

Với phần thứ hai, giả sử bất đẳng thức đúng với vô hạn phân số $\displaystyle a/q$ . Vì mỗi $\displaystyle q$ chỉ có nhiều nhất hai giá trị $\displaystyle a$ làm cho bất đẳng thức đó đúng nên $\displaystyle q$ chạy trên một tập vô hạn. Viết lại bất đẳng thức trong định lý dưới dạng

$\displaystyle \frac{q\sqrt{5}}{2}-\frac{1}{Aq}<\frac{q}{2}+a<\frac{q\sqrt{5}}{2}+\frac{1}{Aq},$ bình phương ta có $\displaystyle \frac{1}{A^2q^2}-\frac{\sqrt{5}}{A}<a^2+aq-q^2<\frac{1}{A^2q^2}+\frac{\sqrt{5}}{A}.$ Vì $\displaystyle A>\sqrt{5}$ nên ta có thể chọn $\displaystyle q$ đủ lớn để

$\displaystyle -1<\frac{1}{A^2q^2}-\frac{\sqrt{5}}{A}<a^2+aq-q^2<\frac{1}{A^2q^2}+\frac{\sqrt{5}}{A}<1,$ với $q$ này thì $a^2+aq-q^2=0$ , vô lý. $\Box$

Đọc thêm

[1] https://nttuan.org/2007/12/15/pell-equation/

Farey sequence and approximation of irrational numbers I

Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về các dãy Farey. Phần đầu là kiến thức cơ bản về dãy Farey, ở phần thứ hai chúng ta sẽ dùng dãy Farey để chứng minh lại một số định lý xấp xỉ (xem [1]).

Cho số nguyên dương $\displaystyle n$ . Phân số tối giản $\displaystyle \frac{p}{q}\in [0;1]$ được gọi là phân số Farey bậc $\displaystyle n$ nếu $\displaystyle 0<q\leq n$ . Dãy tăng tất cả các phân số Farey bậc $\displaystyle n$ được gọi là dãy Farey bậc $\displaystyle n$ , ký hiệu là $\displaystyle F_n$ .

Bốn dãy Farey đầu tiên là:

$\displaystyle \displaystyle F_1:\,\frac{0}{1};\frac{1}{1}$ .

$\displaystyle \displaystyle F_2:\,\frac{0}{1};\frac{1}{2};\frac{1}{1}$ .

$\displaystyle \displaystyle F_3:\,\frac{0}{1};\frac{1}{3};\frac{1}{2};\frac{2}{3};\frac{1}{1}.$

$\displaystyle \displaystyle F_4:\,\frac{0}{1};\frac{1}{4};\frac{1}{3};\frac{1}{2};\frac{2}{3};\frac{3}{4};\frac{1}{1}.$

Rõ ràng là với mỗi số nguyên dương $\displaystyle n$ , dãy $\displaystyle F_n$ có đúng $\displaystyle 1+\sum_{k=1}^n\varphi (k)$ số hạng.

Định lý 1. Cho các số tự nhiên $\displaystyle a,b,c$ và $\displaystyle d$ thỏa mãn $\displaystyle 0\leq \frac{a}{b}<\frac{c}{d}\leq 1$ và $\displaystyle bc-ad=1$ . Khi đó $\displaystyle \frac{a}{b}$ và $\displaystyle \frac{c}{d}$ là hai số hạng liên tiếp của dãy $\displaystyle F_n$ . Ở đây $\displaystyle n$ là một số nguyên dương thỏa mãn $\displaystyle \max\{b,d\}\leq n\leq b+d-1$ .

Chứng minh. Từ $\displaystyle bc-ad=1$ ta có $\displaystyle \displaystyle \frac{a}{b},\frac{c}{d}$ là hai phân số tối giản, mà $\displaystyle \max\{b,d\}\leq n$ , suy ra chúng là các số hạng của dãy $\displaystyle F_n$ . Nếu chúng không phải là hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ thì tồn tại phân số Farey bậc $\displaystyle n$ , ký hiệu là $\displaystyle \frac{h}{k}$ , thỏa mãn $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{h}{k}<\frac{c}{d}.$ Vì $\displaystyle ck-dh\geq 1$ và $\displaystyle bh-ak\geq 1$ nên

$\displaystyle b+d-1\geq n\geq k=(bc-ad)k=b(ck-dh)+d(bh-ak)\geq b+d,$

đây là điều không thể xảy ra. $\Box$

Với các số tự nhiên $\displaystyle a,b,c$ và $\displaystyle d$ thỏa mãn $\displaystyle 0\leq \frac{a}{b}<\frac{c}{d},$ phân số $\displaystyle \dfrac{a+c}{b+d}$ được gọi là phân số trung gian của hai phân số $\displaystyle \frac{a}{b}$ và $\displaystyle \frac{c}{d}$ . Từ chứng minh trên ta có:

Định lý 2. Cho các số tự nhiên $\displaystyle a,b,c$ và $\displaystyle d$ thỏa mãn $\displaystyle 0\leq \frac{a}{b}<\frac{c}{d}\leq 1$ và $\displaystyle bc-ad=1$ . Khi đó nếu $\displaystyle \dfrac{h}{k}$ là phân số trung gian của hai phân số $\displaystyle \frac{a}{b}$ , $\displaystyle \frac{c}{d}$ thì $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{h}{k}<\frac{c}{d}$ và $\displaystyle bh-ak=1,\quad ck-dh=1.$

Từ kết quả này ta thấy trong định lý 1, nếu $\displaystyle n>b+d-1$ thì $\displaystyle a/b$ và $\displaystyle c/d$ không phải là hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ . Định lý sau cho một cách xác định các dãy Farey bằng quy nạp.

Định lý 3. Với mọi số nguyên dương $n,$ ta có

(1) Dãy $\displaystyle F_{n+1}$ có được từ dãy $\displaystyle F_n$ bằng cách viết vào giữa hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ có tổng các mẫu không vượt quá $\displaystyle n+1$ phân số trung gian của chúng.

(2) Nếu $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{c}{d}$ là hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ thì $\displaystyle bc-ad=1$ .

Chứng minh. Ta sẽ chứng minh bằng quy nạp theo $\displaystyle n$ . Rõ ràng khẳng định đúng với $\displaystyle n=1$ . Giả sử khẳng định đúng với các số nguyên dương bé hơn $\displaystyle n\, (n\geq 2)$ , ta sẽ chứng minh khẳng định đúng với $\displaystyle n$ . Từ các kết quả trước và giả thiết quy nạp ta có nếu $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{c}{d}$ là hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ thì $\displaystyle bc-ad=1$ . Sau khi viết vào giữa hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F_n$ có tổng các mẫu không vượt quá $\displaystyle n+1$ phân số trung gian của chúng ta thu được dãy con $\displaystyle F^{\prime}_n$ của $\displaystyle F_{n+1}$ . Nếu trong $\displaystyle F_{n+1}$ có phân số $\displaystyle \dfrac{h}{k}$ không thuộc $\displaystyle F'_n$ thì tồn tại hai số hạng liên tiếp $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{c}{d}$ của $\displaystyle F'_n$ sao cho $\displaystyle \frac{a}{b}<\frac{h}{k}<\frac{c}{d}$ . Vì $\displaystyle \frac{h}{k}$ không thuộc $\displaystyle F^{\prime}_n$ nên nó cũng không thuộc $\displaystyle F_n$ , suy ra $\displaystyle k>n$ , kết hợp với $\displaystyle k\leq n+1$ ta có $\displaystyle k=n+1$ . Từ chứng minh của các kết quả trên suy ra $\displaystyle k=n+1\geq b+d$ , do đó $\displaystyle \frac{a}{b}$ và $\displaystyle \frac{c}{d}$ là hai phân số liên tiếp của $\displaystyle F_n$ . Mà $\displaystyle b+d\leq n+1$ , suy ra chúng không thể là hai số hạng liên tiếp của $\displaystyle F^{\prime}_n$ , vô lý. $\Box$

Dãy số Farey được đặt theo tên của nhà địa chất người Anh John Farey, lá thư của ông về những dãy này đã được đăng vào năm 1816. Farey phỏng đoán, mà không đưa ra chứng minh, rằng mỗi số hạng trong một dãy Farey là trung gian của các số liên tiếp trong dãy Farey ngay trước nó. Bức thư của Farey đã được đọc bởi Cauchy, người đã đưa ra chứng minh trong một cuốn sách của mình và cho rằng kết quả này là của Farey. Trên thực tế, một nhà toán học khác, Charles Haros, đã công bố những kết quả tương tự vào năm 1802 mà cả Farey và Cauchy đều không biết. Vì vậy, đó là một sự tình cờ lịch sử đã liên kết tên tuổi của Farey với những dãy này. Một lần nữa, trước đó là Pell, người có tên được đặt cho một mối quan hệ toán học không phải là người đầu tiên tìm ra nó.

Đọc thêm

[1] https://nttuan.org/2007/12/15/pell-equation/

Pell’s equation

Trong bài này chúng tôi sẽ giới thiệu một số định lí của Dirichlet về xấp xỉ số thực bởi số hữu tỉ, và áp dụng các định lí đó vào lý thuyết phương trình Pell.

Định lí 1 (Dirichlet). Cho số thực $\theta$ và số nguyên dương $Q$ . Khi đó có số nguyên dương $q$ và số nguyên $a$ thỏa mãn $q\leq Q$ và $\displaystyle \left|\theta-\frac{a}{q}\right|\leq\dfrac{1}{q(Q+1)}.$

Chứng minh. Phân hoạch nửa đoạn $[0;1)$ thành $Q+1$ nửa đoạn

$\displaystyle I_k=\left[\frac{k}{Q+1};\frac{k+1}{Q+1}\right),\quad k=0,1,\ldots,Q.$

Xét $Q$ số $\{1.\theta\},\{2.\theta\},\ldots,\{Q.\theta\}$ .

Nếu $I_0$ chứa ít nhất một số trong dãy trên, chẳng hạn $\{m.\theta\}$ , ta chọn $q=m$ . Nếu $I_{Q}$ chứa ít nhất một số trong dãy trên, chẳng hạn $\{n.\theta\}$ , ta chỉ cần chọn $q=n$ . Nếu hai khoảng trên không chứa số nào thì tồn tại một khoảng $I_i$ chứa ít nhất hai số $\{j.\theta\},$ $\{k.\theta\}$ $(j<k)$ trong dãy, ta chọn $q=k-j$ . $\Box$

Như vậy mọi số thực có thể được xấp xỉ bởi một số hữu tỉ có mẫu bị chặn với độ chính xác phụ thuộc vào chặn trên của mẫu. Sau đây là một áp dụng đẹp đẽ của định lí trên:

Hệ quả. Mọi số nguyên tố dạng $4k+1$ có thể viết thành tổng của hai số chính phương.

Chứng minh. Theo định lí Wilson, tồn tại số nguyên dương $c$ sao cho $c^2+1\equiv 0\pmod{p}.$ Theo định lí Dirichlet, tồn tại các số nguyên $a,b$ sao cho $1\leq b\leq [\sqrt{p}]$ và

$\displaystyle \left|\frac{c}{p}-\frac{a}{b}\right|\leq\frac{1}{b([\sqrt{p}]+1)}<\frac{1}{b\sqrt{p}}. \quad (*)$

Từ $(*)$ ta có $|cb-ap|<\sqrt{p}$ , suy ra $0<(cb-ap)^2+b^2<2p$ , mà $(cb-ap)^2+b^2\equiv b^2(c^2+1)\equiv 0\pmod{p},$ suy ra $(cb-ap)^2+b^2=p.$ $\Box$

Định lí 2 (Dirichlet). Cho số vô tỷ $\alpha$ . Khi đó có vô hạn số hữu tỷ $\displaystyle\frac{a}{q}$ sao cho $q>0$ và $\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|<\frac{1}{q^2}.$ Hơn nữa ta có thể chọn $q$ lớn tùy ý.

Chứng minh. Ta sẽ xây dựng dãy hữu tỷ thỏa mãn bằng quy nạp.

Với số nguyên $Q\geq 1$ bất kỳ, theo định lí 1, tồn tại phân số $\displaystyle\frac{a}{q}$ sao cho $1\leq q\leq Q$ và

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|\leq\frac{1}{q(Q+1)}.$

Bằng cách thu gọn $\displaystyle\frac{a}{q}$ nếu cần, ta có thể xem phân số này tối giản. Do $Q+1>q$ nên từ bất đẳng thức trên ta có

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{a}{q}\right|\leq\frac{1}{q(Q+1)}<\frac{1}{q^2}.$

Giả sử ta đã xây dựng được dãy các phân số tối giản đôi một khác nhau $\displaystyle\frac{a_1}{q_1},\frac{a_2}{q_2},\ldots,\frac{a_m}{q_m}$ thỏa mãn bất đẳng thức trong định lí. Vì $\alpha$ là số vô tỷ nên $|\alpha-a_i/q_i|>0\,\forall i$ , bởi thế nên ta có thể chọn được số nguyên dương $Q$ để $Q>\max \{|\alpha-a_i/q_i|^{-1}\}.$ Dùng định lí 1 cho số $Q$ này ta tìm được phân số tối giản $\displaystyle\frac{a_{m+1}}{q_{m+1}}$ sao cho $1\leq q_{m+1}\leq Q$ và