Fraction continue généralisée

En mathématiques, une fraction continue généralisée est une expression de la forme :

$b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+\dots }}}}}}$

comportant un nombre fini ou infini d'étages. C'est donc une généralisation des fractions continues simples puisque dans ces dernières, tous les a_i sont égaux à 1.

Notations

Une fraction continue généralisée est une généralisation des fractions continues où les numérateurs et dénominateurs partiels peuvent être des complexes quelconques :

$x=b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{\ddots \,}}}}}}}}$

où a_n (n > 0) sont les numérateurs partiels et les b_n les dénominateurs partiels.

Des notations plus compactes sont employées :

$x=b_{0}+{\frac {a_{1}}{b_{1}+}}~{\frac {a_{2}}{b_{2}+}}~{\frac {a_{3}}{b_{3}+}}\cdots$.

Carl Friedrich Gauss utilisa une notation rappelant la notation Σ des séries ou Π du produit infini :

$x=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{\mathbf {K} }}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}$

où la lettre K est l'initiale de Kettenbruch, signifiant « fraction continue » en allemand.

Dans la suite, on adopte l'écriture d'Alfred Pringsheim :

$x=b_{0}+{\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+\cdots .$

Transformations de Möbius

L'observation suivante va rendre naturel le calcul des réduites. Les fonctions ρ_n définies par

$\rho _{0}(z)=b_{0}+z\quad {\rm {et}}\quad \forall n\in \mathbb {N} ^{*}\quad \rho _{n}(z)=b_{0}+{\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+\ldots +{\frac {a_{n}\mid }{\mid b_{n}+z}}$

sont des composées de fonctions homographiques :

$\forall n\in \mathbb {N} ^{*}\quad \rho _{n}=\rho _{n-1}\circ \tau _{n}\quad {\rm {avec}}\quad \tau _{n}(z)={\frac {a_{n}}{b_{n}+z}}.$

Les matrices associées vérifient alors

$R_{0}={\begin{pmatrix}1&b_{0}\\0&1\end{pmatrix}}\quad {\rm {et}}\quad \forall n\in \mathbb {N} ^{*}\quad R_{n}=R_{n-1}T_{n}\quad {\rm {avec}}\quad T_{n}={\begin{pmatrix}0&a_{n}\\1&b_{n}\end{pmatrix}},$

si bien que

$\forall n\in \mathbb {N} \quad R_{n}={\begin{pmatrix}h_{n-1}&h_{n}\\k_{n-1}&k_{n}\end{pmatrix}}\quad {\rm {et}}\quad \rho _{n}(z)={\frac {h_{n-1}z+h_{n}}{k_{n-1}z+k_{n}}},$

où les h_n et k_n sont définis par

${\begin{aligned}h_{-1}&=1,&h_{0}&=b_{0},&h_{n}&=b_{n}h_{n-1}+a_{n}h_{n-2}\quad {\rm {et}}\\k_{-1}&=0,&k_{0}&=1,&k_{n}&=b_{n}k_{n-1}+a_{n}k_{n-2}.\end{aligned}}$

Réduites

Des formules précédentes découlent celles sur les numérateurs et dénominateurs des réduites, généralisant celles des réduites d'une fraction continue simple :

${\begin{aligned}\forall n\in \mathbb {N} &\quad &b_{0}+{\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+\ldots +{\frac {a_{n}\mid }{\mid b_{n}}}={\frac {h_{n}}{k_{n}}}&\quad &(1)\\\forall n\in \mathbb {N} ^{*}&&{\frac {b_{n}}{a_{n}}}=-{\frac {h_{n}k_{n-2}-h_{n-2}k_{n}}{h_{n}k_{n-1}-h_{n-1}k_{n}}}&&(2)\\\forall n\in \mathbb {N} &&h_{n-1}k_{n}-h_{n}k_{n-1}=\Pi _{i=1}^{n}(-a_{i})&&(3)\end{aligned}}$

Démonstration

• (1) est l'évaluation de ρ_n en 0.
• (2) résulte de h_n/k_n = ρ_n(0) = ρ_n–1(τ_n(0)) = ρ_n–1(a_n/b_n), en inversant ρ_n–1.
• (3) se déduit des formules matricielles, en calculant des déterminants.

Conversions

Si (c_n)_n>0 est une suite de complexes non nuls alors ${\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+{\frac {a_{4}\mid }{\mid b_{a}}}+\cdots ={\frac {c_{1}a_{1}\mid }{\mid c_{1}b_{1}}}+{\frac {c_{1}c_{2}a_{2}\mid }{\mid c_{2}b_{2}}}+{\frac {c_{2}c_{3}a_{3}\mid }{\mid c_{3}b_{3}}}+{\frac {c_{3}c_{4}a_{4}\mid }{\mid c_{4}b_{4}}}+\cdots ,$ c'est-à-dire que ces deux fractions continues ont mêmes réduites.

En particulier :

• si tous les a_i sont non nuls alors, en choisissant c₁ = 1/a₁ et c_n+1 = 1/(a_n+1c_n), on se ramène à une fraction continue ordinaire :${\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+\cdots ={\frac {1\mid }{\mid c_{1}b_{1}}}+{\frac {1\mid }{\mid c_{2}b_{2}}}+{\frac {1\mid }{\mid c_{3}b_{3}}}+\cdots ~;$
• si tous les b_i sont non nuls, on peut construire de même une suite (d_n)_n>0 telle que ${\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+\cdots ={\frac {d_{1}a_{1}\mid }{\mid 1}}+{\frac {d_{2}a_{2}\mid }{\mid 1}}+{\frac {d_{3}a_{3}\mid }{\mid 1}}+\cdots ,$en posant d₁ = 1/b₁ et pour n > 1, d_n+1 = 1/(b_n+1b_n).

Ces deux conversions sont extrêmement utiles dans l'analyse du problème de convergence.

Une autre, également découverte par Euler, permet de compacter une fraction continue simple ayant une « quasipériode » de longueur paire 2r en une fraction continue généralisée « presque » simple — ou inversement, de développer certaines fractions généralisées en fractions simples — en appliquant r fois la formule suivante :

${\frac {1\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {1\mid }{\mid m}}+{\frac {1\mid }{\mid n}}+{\frac {1\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {1\mid }{\mid m}}+{\frac {1\mid }{\mid n}}+{\frac {1\mid }{\mid b_{3}}}+{\frac {1\mid }{\mid m}}+{\frac {1\mid }{\mid n}}+\cdots ={\frac {mn+1\mid }{\mid (mn+1)b_{1}+n}}+{\frac {1\mid }{\mid (mn+1)b_{2}+m+n}}+{\frac {1\mid }{\mid (mn+1)b_{3}+m+n}}+\cdots ,$ l'égalité signifiant ici que pour tout entier naturel k, la réduite d'indice k de la fraction généralisée de droite est égale à celle d'indice 3k de la fraction simple de gauche.

Démonstration

En notant $T_{x}={\begin{pmatrix}0&1\\1&x\end{pmatrix}},~U_{b}=T_{b}T_{m}T_{n}{\text{ et }}V_{b}=T_{(mn+1)b+m+n},$ on a

$U_{b}P=PV_{b}{\text{ pour }}P={\begin{pmatrix}mn+1&0\\-m&1\end{pmatrix}}$

donc

$U_{b_{1}}U_{b_{2}}\ldots U_{b_{k}}P=PV_{b_{1}}V_{b_{2}}\ldots V_{b_{k}}.$

On conclut en appliquant à 0 les transformations de Möbius correspondantes et en remarquant que celle qui correspond à P fixe 0.

(La contrainte de parité sur la quasipériode s'explique par : det(T_x) = –1.)

Équation du second degré

L'Algebra de Raphaël Bombelli contient la première fraction continue connue en Europe, elle correspond à celle donnée en exemple dans ce paragraphe.

Un exemple d'illustration de l'arrivée naturelle d'une fraction continue généralisée est l'équation du second degré. Étudions le cas particulier, correspondant à celle de Bombelli, la première connue en Europe :

$x^{2}-6x-4=0\quad {\text{ou}}\quad x=6+{\frac {4}{x}}.$

En remplaçant x par sa valeur, on obtient, comme valeur de x :

$(1)\;6+{\frac {4}{x}},\quad (2)\;6+{\cfrac {4}{6+{\cfrac {4}{x}}}},\quad (3)\;6+{\cfrac {4}{6+{\cfrac {4}{6+{\cfrac {4}{x}}}}}}\quad \cdots$

En notation de Pringsheim, la fraction ƒ prend la forme suivante :

$f=6+{\frac {4\mid }{\mid 6}}+{\frac {4\mid }{\mid 6}}+{\frac {4\mid }{\mid 6}}+\cdots$

Un calcul manuel montre que ses premières réduites sont 6, 20/3, 33/5, 218/33, 720/109. On démontre que cette suite tend vers une des deux racines : celle égale à 3 + √13. À l'époque de Bombelli, l'intérêt principal de cette fraction continue était d'offrir une méthode d'extraction de racine : le calcul de la fraction permet d'approcher √13 avec toute la précision souhaitée.

Pour une solution d'une équation du second degré arbitraire, Euler écrit le même développement. On peut montrer (cf. article détaillé) que si l'équation a une racine double non nulle ou deux racines de modules distincts, cette fraction continue généralisée tend vers la racine de plus grand module mais que sinon, la fraction continue n'est pas convergente.

Leonhard Euler calcule le premier développement en fraction continue généralisée d'une fonction.

Développements en fractions continues généralisées de π et de e

La fraction continue de π n'offre aucune régularité donc son calcul est inextricable. Ce nombre admet en revanche de multiples développements en fractions continues généralisées. La première apparition d'une telle fraction est la formule de Brouncker :

${\frac {4}{\pi }}=1+{\dfrac {1^{2}}{2+{\dfrac {3^{2}}{2+{\dfrac {5^{2}}{2\ +\ ...}}}}}}.$

Une démonstration de cette égalité figure dans l'article « Formule de fraction continue d'Euler », par évaluation au point 1 d'une fraction continue généralisée de la fonction Arctangente. Ainsi, une fraction continue ne s'applique pas uniquement aux nombres, mais aussi à certaines fonctions. De même, Euler a développé la fonction exponentielle en une fraction continue généralisée d'une forme appropriée :

${\rm {e}}^{z}={\frac {1\mid }{\mid 1}}-{\frac {z\mid }{\mid 1+z}}-{\frac {z\mid }{\mid 2+z}}-{\frac {2z\mid }{\mid 3+z}}-{\frac {3z\mid }{\mid 4+z}}-{\frac {4z\mid }{\mid 5+z}}-\cdots$

dont on obtient :

$e=2+{\dfrac {2}{2+{\dfrac {3}{3+{\dfrac {4}{4\ +{\dfrac {5}{5\ +\ ...}}}}}}}}=2+{\dfrac {2}{2+{\dfrac {2}{2+{\dfrac {2}{3+{\dfrac {3}{4\ +\ ...}}}}}}}},$

Voir la suite A233583 de l'OEIS.

Il obtient également la fraction continue simple  :

${\rm {e}}^{1/s}=[1,s-1,1,1,3s-1,1,1,5s-1,1,1,7s-1,\ldots ],$

donnant :

$e=2+{\dfrac {1}{2+{\dfrac {1}{1+{\dfrac {1}{1+{\dfrac {1}{4\ +\ ...}}}}}}}}.$

Critère d'irrationalité

Théorème — Soit $x=b_{0}+{\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+\cdots$ une fraction continue généralisée convergente à coefficients entiers.

Si à partir d'un certain rang, $0<|a_{n}|<|b_{n}|$, et si pour une infinité de n $|a_{n}|\not =|b_{n}|-1$, alors x est irrationnel.

On en déduit par exemple l'irrationalité de π, démonstration due à Lambert en 1761.

Notes et références

• Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Fraction continue » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Articles connexes

• Approximant de Padé
• Fraction continue d'un irrationnel quadratique
• Développement en cotangente continue de Lehmer
• Fraction continue de Rogers-Ramanujan
• Et, concernant la convergence,
  • Constante de Khintchine
  • Constante de Lévy
  • Problème de convergence
  • Théorème de Lochs
  • Théorème de Śleszyński-Pringsheim

Liens externes

• Évariste Galois, « Démonstration d'un théorème sur les fractions continues périodiques », Annales de mathématiques pures et appliquées, vol. 19,‎ 1828-1829, p. 294-301 (lire en ligne)
  Le premier article de Galois, analysé sur le site Bibnum.
• (en) Un calculateur en ligne de fraction continue
• (de) Une illustration graphique de l'algorithme d'Euclide itéré pour le calcul d'une fraction continue (avec Cinderella).

Bibliographie

• Roger Descombes, Éléments de théorie des nombres, PUF, 1986
• Le Petit Archimède, Numéro spécial π
• Jean-Paul Delahaye, Le Fascinant Nombre π [détail de l’édition]
• Marc Guinot, Arithmétique pour amateurs. Vol. 4 : Lagrange et Legendre, Aléas, 1996 (ISBN 978-2-908016-71-0)
• Alain Faisant, L'équation diophantienne du second degré, Hermann, 1991
• (en) G. H. Hardy et E. M. Wright, An Introduction to the Theory of Numbers (1^re éd. 1938) [détail des éditions]
• Jean Trignan, Introduction aux problèmes d'approximation : fractions continues, différences finies, Éd. du Choix, 1994 (ISBN 978-2-909028-16-3)
• Bulletin de l'APMEP n^o 450
• Georges Valiron, Théorie des fonctions, Masson, Paris, 1966, Notions sur les fractions continues arithmétiques p. 17-24