Begriff des Kettenbruchs

Ein (unendlicher) Kettenbruch ist ein fortgesetzter Bruch der Form

${\displaystyle b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{\;\,\ddots }}}}}}}}\quad }$ oder (regulärer Fall) ${\displaystyle b_{0}+{\cfrac {1}{b_{1}+{\cfrac {1}{b_{2}+{\cfrac {1}{b_{3}+{\cfrac {1}{\;\,\ddots }}}}}}}}}$

mit ${\displaystyle b_{0}\in \mathbb {Z} }$ und ${\displaystyle a_{i},b_{i}\in \mathbb {N} }$ für ${\displaystyle i\in \mathbb {N} }$.

Die Brüche ${\displaystyle {\tfrac {a_{i}}{b_{i}}}}$ bzw. ${\displaystyle {\tfrac {1}{b_{i}}}}$ werden Teilbrüche genannt, ${\displaystyle a_{i}}$ heißt der ${\displaystyle i}$-te Teilzähler und ${\displaystyle b_{i}}$ der ${\displaystyle i}$-te Teilnenner. Die Teilzähler und Teilnenner nennt man (an Oskar Perron anschließend) auch Elemente des Kettenbruchs.

Ein Kettenbruch, der sich nach einem Teilbruch ${\displaystyle {\tfrac {a_{i}}{b_{i}}}}$ nicht weiter fortsetzt, ist ein endlicher Kettenbruch.

Eine formalere Definition findet man im Abschnitt Darstellung als Komposition von Abbildungen.

Reguläre Kettenbrüche sind in der Zahlentheorie der bei weitem wichtigste Kettenbruch-Typ. Bei der Approximation von (reellen oder komplexen) Funktionen verwendet man auch Kettenbrüche mit Unbekannten, siehe zum Beispiel den Lambertschen Kettenbruch für die Tangensfunktion im Abschnitt „Geschichte“. Manchmal benötigt man einen endlichen regulären Kettenbruch, bei dem der letzte Eintrag ${\displaystyle b_{n}}$ eine reelle (nicht-ganze) Zahl ist. Dies ermöglicht zum Beispiel die Schreibweise ${\displaystyle \textstyle \phi =[1;\phi ]=[1;1,\phi ]}$ usw. für die goldene Zahl. Auch werden bisweilen allgemeine Kettenbrüche mit ${\displaystyle a_{i}\in \mathbb {Z} }$ benutzt.

Notation

Die Kurzschreibweise für einen allgemeinen Kettenbruch ist

${\displaystyle b_{0}+{\frac {a_{1}|}{|b_{1}}}+{\frac {a_{2}|}{|b_{2}}}+{\frac {a_{3}|}{|b_{3}}}+\cdots }$

In Anlehnung an die Summen- und Produktzeichen ${\displaystyle \textstyle \sum }$ und ${\displaystyle \textstyle \prod }$ führte Gauß hierfür auch die folgende Schreibweise ein:

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

Ein regulärer Kettenbruch wird oft in der folgenden Weise geschrieben:

${\displaystyle [b_{0};b_{1},b_{2},\dotsc ]}$

${\displaystyle b_{0}}$ wird nur deshalb gesondert aufgeführt, weil es aus ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ ist, die nachfolgenden ${\displaystyle b_{i}}$ aber immer nur aus ${\displaystyle \mathbb {N} }$ sind.

Die Notation für endliche Kettenbrüche ist dementsprechend

${\displaystyle b_{0}+{\frac {a_{1}|}{|b_{1}}}+{\frac {a_{2}|}{|b_{2}}}+\cdots +{\frac {a_{n}|}{|b_{n}}}\,,\quad b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{\mathbf {K} }}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,,\quad [b_{0};b_{1},\dotsc ,b_{n}]\,.}$

Darstellung als Komposition von Abbildungen

Man kann einen Kettenbruch auch als eine Komposition von Abbildungen ${\displaystyle T_{i}\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ darstellen. Dies liefert eine formalere Definition als die bisher gegebene.

Hierfür setzt man ${\displaystyle T_{i}(x)={\tfrac {a_{i}}{b_{i}+x}}}$ und erhält

${\displaystyle b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{\mathbf {K} }}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}:=b_{0}+T_{1}\circ T_{2}\circ \cdots \circ T_{n-1}\circ T_{n}(0).}$

Die Definition unendlicher Kettenbrüche erfolgt durch eine Grenzwertbetrachtung im Abschnitt Unendliche Kettenbrüche.

Endliche Kettenbrüche und ihre Näherungsbrüche

Von nun an betrachten wir ausschließlich reguläre Kettenbrüche. Bricht man den Kettenbruch ${\displaystyle [b_{0};b_{1},\dotsc ,b_{N}]}$ nach dem ${\displaystyle n}$-ten Glied ab für ein ${\displaystyle n\leq N}$, so heißt

${\displaystyle {\frac {p_{n}}{q_{n}}}=[b_{0};b_{1},\dotsc ,b_{n}]}$

sein ${\displaystyle n}$-ter Näherungsbruch (oder auch ${\displaystyle n}$-te Konvergente). Die ersten Näherungsbrüche lauten offenbar

${\displaystyle {\frac {p_{0}}{q_{0}}}={\frac {b_{0}}{1}},\quad {\frac {p_{1}}{q_{1}}}=b_{0}+{\cfrac {1}{b_{1}}}={\frac {b_{0}b_{1}+1}{b_{1}}},\quad {\frac {p_{2}}{q_{2}}}=b_{0}+{\cfrac {1}{b_{1}+{\cfrac {1}{b_{2}}}}}={\frac {b_{0}b_{1}b_{2}+b_{0}+b_{2}}{b_{1}b_{2}+1}}}$.

Bei dem Beispiel 41/29 = [1; 2, 2, 2, 2] sind das die Brüche ${\displaystyle {\tfrac {1}{1}},{\tfrac {3}{2}},{\tfrac {7}{5}}}$. Der dritte Näherungsbruch lautet ${\displaystyle {\tfrac {17}{12}}}$ und der vierte ist gleich ${\displaystyle {\tfrac {41}{29}}}$, also identisch mit dem Ausgangsbruch.

Mit vollständiger Induktion beweist man das Bildungsgesetz für die Näherungsbrüche (${\displaystyle p_{n}}$ und ${\displaystyle q_{n}}$ werden pro forma auch für ${\displaystyle n={-1},{-2}}$ definiert, damit die Formeln ab ${\displaystyle n=0}$ stimmen):

${\displaystyle p_{n}=b_{n}p_{n-1}+p_{n-2}\,}$			${\displaystyle p_{-1}=1\,}$		${\displaystyle p_{-2}=0\,}$
${\displaystyle q_{n}=b_{n}q_{n-1}+q_{n-2}\,}$			${\displaystyle q_{-1}=0\,}$		${\displaystyle q_{-2}=1\,}$

sowie die Beziehung

${\displaystyle q_{n}p_{n-1}-p_{n}q_{n-1}=(-1)^{n}\,}$.

Daraus folgt, dass Näherungsbrüche stets in gekürzter Form vorliegen (wenn ${\displaystyle p_{n}}$ und ${\displaystyle q_{n}}$ beide durch eine natürliche Zahl größer als ${\displaystyle 1}$ teilbar wären, dann müsste auch die rechte Seite durch diese Zahl teilbar sein, was aber nicht der Fall ist). Dividiert man durch ${\displaystyle q_{n}q_{n-1}}$, so folgt:

${\displaystyle {\frac {p_{n-1}}{q_{n-1}}}-{\frac {p_{n}}{q_{n}}}={\frac {(-1)^{n}}{q_{n}q_{n-1}}}.}$		(1)

Beispielsweise hat man für den zweiten und dritten Näherungsbruch von ${\displaystyle 41/29}$ die Beziehung

${\displaystyle {\frac {7}{5}}-{\frac {17}{12}}={\frac {(-1)^{3}}{60}}={\frac {-1}{60}}}$.

Auf ähnliche Weise zeigt man

${\displaystyle q_{n}p_{n-2}-p_{n}q_{n-2}=(-1)^{n-1}b_{n}}$

und

${\displaystyle {\frac {p_{n-2}}{q_{n-2}}}-{\frac {p_{n}}{q_{n}}}={\frac {(-1)^{n-1}b_{n}}{q_{n}q_{n-2}}}.}$		(2)

Diese Formeln sind grundlegend für die weiter unten besprochenen Konvergenzfragen bei unendlichen Kettenbrüchen.

Matrixdarstellung

Das Bildungsgesetz für die Näherungsbrüche lässt sich auch elegant in Matrixform schreiben. Man erhält dann (wieder mit vollständiger Induktion zu beweisen):

${\displaystyle {\begin{pmatrix}b_{0}&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}b_{1}&1\\1&0\end{pmatrix}}\cdots {\begin{pmatrix}b_{n}&1\\1&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}p_{n}&p_{n-1}\\q_{n}&q_{n-1}\end{pmatrix}}.}$

Da die Determinante jeder der Matrizen auf der linken Seite ${\displaystyle -1}$ beträgt, folgt sofort

${\displaystyle p_{n}q_{n-1}-q_{n}p_{n-1}=(-1)^{n+1}}$

und Multiplikation mit ${\displaystyle -1}$ zeigt erneut die oben angegebene Gleichung.

Durch Transponieren beider Seiten der Gleichung folgt nun (da die Transposition des Produktes auf der linken Seite die Reihenfolge seiner Faktoren umkehrt), dass ${\displaystyle [b_{n};b_{n-1},\dotsc ,b_{0}]={\tfrac {p_{n}}{p_{n-1}}}}$ und ${\displaystyle [b_{n};b_{n-1},\dotsc ,b_{1}]={\tfrac {q_{n}}{q_{n-1}}}}$ gelten.

Beispiel: Die Näherungsbrüche von ${\displaystyle [1;1,2,3]={\tfrac {17}{10}}}$ lauten ${\displaystyle {\tfrac {1}{1}}}$, ${\displaystyle {\tfrac {2}{1}}}$, ${\displaystyle {\tfrac {5}{3}}}$ und ${\displaystyle {\tfrac {17}{10}}}$. Es gilt

${\displaystyle {\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}2&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}3&1\\1&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}17&5\\10&3\end{pmatrix}}}$

und die Transposition

${\displaystyle {\begin{pmatrix}3&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}2&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}17&10\\5&3\end{pmatrix}}}$

ergibt ${\displaystyle [3;2,1,1]={\tfrac {17}{5}}}$ sowie ${\displaystyle [3;2,1]={\tfrac {10}{3}}}$.

Endliche Kettenbrüche und der euklidische Algorithmus

Die Umwandlung einer rationalen Zahl in einen Kettenbruch erfolgt mit Hilfe des euklidischen Algorithmus.

Als Beispiel rechnen wir für ${\displaystyle {\tfrac {17}{10}}=[1;1,2,3]}$ wie folgt:

${\displaystyle {\begin{aligned}17&=1\cdot 10+7\\10&=1\cdot 7+3\\7&=2\cdot 3+1\\3&=3\cdot 1\end{aligned}}}$

Siehe dazu auch den Abschnitt Kettenbruchzerlegung im Artikel über den euklidischen Algorithmus. In der Abbildung ist dieses Verfahren veranschaulicht. Aus der folgenden Gleichungskette ist ersichtlich, dass die Kettenbruchentwicklung durch wiederholtes Einsetzen der Gleichungen des euklidischen Algorithmus entsteht:

${\displaystyle {\frac {17}{10}}=1+{\dfrac {7}{10}}=1+{\dfrac {\ \ 1\ \ }{\dfrac {10}{7}}}=1+{\dfrac {1}{1+{\dfrac {3}{7}}}}=1+{\dfrac {1}{1+{\dfrac {1}{\dfrac {7}{3}}}}}=1+{\dfrac {1}{1+{\dfrac {1}{2+{\dfrac {1}{3}}}}}}}$

Das graphische Verfahren kann so erläutert werden: Man beginnt mit einem ${\displaystyle 17\times 10}$ großen Rechteck. Darin bringt man so viele Quadrate der Seitenlänge ${\displaystyle 10}$ unter, wie möglich (in diesem Beispiel geht das nur einmal). Es bleibt nun ein ${\displaystyle 10\times 7}$ großes Rechteck unbedeckt, auf das man die Überlegung weiter anwendet. Die Anzahl der jeweils verwendeten Quadrate sind dabei die Teilnenner des Kettenbruchs.

Unendliche Kettenbrüche: Konvergenz und Näherungsbrüche

Für eine (unendliche) Folge ${\displaystyle b_{0},b_{1},\dotsc }$ ist der Kettenbruch ${\displaystyle [b_{0};b_{1},\dotsc ]}$ nur dann definiert, wenn die Folge der Näherungsbrüche ${\displaystyle (p_{n}/q_{n})_{n}}$ konvergiert. In diesem Fall hat der unendliche Kettenbruch ${\displaystyle [b_{0};b_{1},\dotsc ]}$ den Wert ${\displaystyle \lim _{n\to \infty }[b_{0};b_{1},\dotsc ,b_{n}]}$.

Da hier nur reguläre Kettenbrüche behandelt werden, gilt: Jeder unendliche Kettenbruch konvergiert.

Das erkennt man folgendermaßen: Die Folge der Näherungsbrüche mit geraden Indizes, also ${\displaystyle p_{0}/q_{0},p_{2}/q_{2},\dotsc }$ ist aufgrund Gleichung (2) monoton steigend, während die Folge mit ungeraden Indizes ${\displaystyle p_{1}/q_{1},p_{3}/q_{3},\dotsc }$ monoton fallend ist, siehe Abbildung. Da außerdem jeder ungerade Näherungsbruch größer ist als jeder gerade, sind beide Folgen monoton und beschränkt und konvergieren daher. Ihre beiden Grenzwerte sind aber aufgrund Gleichung (1) gleich (da die ${\displaystyle q_{n}}$ beliebig groß werden, geht die Differenz gegen 0).

Nun betrachte man ${\displaystyle \alpha =[b_{0};b_{1},\dotsc ].}$

Aus den oben angegebenen Formeln lässt sich die Differenz zwischen ${\displaystyle \alpha }$ und dem ${\displaystyle n}$-ten Näherungsbruch abschätzen:

${\displaystyle {\frac {b_{n+2}}{q_{n}q_{n+2}}}<\left|\alpha -{\frac {p_{n}}{q_{n}}}\right|<{\frac {1}{q_{n}q_{n+1}}}.}$		(3)

Als Beispiel für Gleichung (3) betrachte man den Kettenbruch der Quadratwurzel von 2. Im Abschnitt Periodische Kettenbrüche wird gezeigt, dass ${\displaystyle {\sqrt {2}}=[1;2,2,\dotsc ]}$.

Die ersten Näherungsbrüche dieses unendlichen Kettenbruchs sind ${\displaystyle 1/1}$, ${\displaystyle 3/2}$, ${\displaystyle 7/5}$, ${\displaystyle 17/12}$, ${\displaystyle 41/29}$ und Gleichung (3) besagt in diesem Fall für ${\displaystyle n=2}$:

${\displaystyle {\frac {2}{5\cdot 29}}<\left|{\sqrt {2}}-{\frac {7}{5}}\right|<{\frac {1}{5\cdot 12}}}$.

Klar ist nun, dass jede rationale Zahl einen endlichen Kettenbruch hat und dass jeder endliche Kettenbruch eine rationale Zahl darstellt. Diese Darstellung ist nicht eindeutig, da man das Ende des Kettenbruchs auf zwei Arten schreiben kann, ohne den Wert zu verändern: Man kann zwischen den Darstellungen ${\displaystyle [\dotsc ,b_{n}+1]}$ und ${\displaystyle [\dotsc ,b_{n},1]}$ wechseln. Jede irrationale Zahl hat aber eine eindeutige Darstellung:

Satz (Rationale und irrationale Zahlen, Eindeutigkeit der Darstellung):

Jede reelle Zahl kann als (regulärer) Kettenbruch dargestellt werden. Für irrationale Zahlen ist die Kettenbruchdarstellung unendlich und eindeutig. Rationale Zahlen entsprechen endlichen Kettenbrüchen und jede rationale Zahl hat genau zwei Kettenbruchdarstellungen.

Für den Beweis der Aussage, dass jeder unendliche Kettenbruch eine irrationale Zahl darstellt, gilt: Betrachtet man ${\displaystyle \alpha =[b_{0};b_{1},\dotsc ]}$ und nimmt an, dass ${\displaystyle \alpha =c/d}$ rational wäre, so ist

${\displaystyle 0<\left|{\frac {c}{d}}-{\frac {p_{n}}{q_{n}}}\right|<{\frac {1}{q_{n}q_{n+1}}}}$

und Multiplikation mit ${\displaystyle d}$ und ${\displaystyle q_{n}}$ ergibt

${\displaystyle 0<|cq_{n}-dp_{n}|<{\frac {d}{q_{n+1}}}}$.

Da die ${\displaystyle q_{n+1}}$ für wachsendes ${\displaystyle n}$ beliebig groß werden und die Zahl zwischen den Betragsstrichen stets eine ganze Zahl ist, liefert das einen Widerspruch. Somit ist ${\displaystyle \alpha }$ nicht rational.

Unendliche Kettenbrüche und der verallgemeinerte euklidische Algorithmus

Für irrationale Zahlen ${\displaystyle \alpha }$ wird eine Verallgemeinerung des euklidischen Algorithmus verwendet. Dieser funktioniert auch für rationale Zahlen; wir prüfen deshalb in jedem Schritt, ob der Algorithmus abbricht:

1. Ist ${\displaystyle \alpha }$ keine ganze Zahl, so setzt man ${\displaystyle b_{0}=\lfloor \alpha \rfloor }$ (Ganzteil von ${\displaystyle \alpha }$) und ${\displaystyle \alpha _{1}}$ auf das Inverse des Rests, also ${\displaystyle \alpha _{1}=1/(\alpha -b_{0})}$.
2. Falls ${\displaystyle \alpha _{1}}$ nicht ganz ist, dann setzt man ${\displaystyle b_{1}=\lfloor \alpha _{1}\rfloor }$ und ${\displaystyle \alpha _{2}=1/(\alpha _{1}-b_{1})}$.

Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis man ein ganzzahliges ${\displaystyle \alpha _{n}}$ erhält (das geschieht natürlich nur dann, wenn der Startwert rational ist). Bei einem irrationalen ${\displaystyle \alpha }$ bricht das Verfahren nicht ab. Die Zahlen ${\displaystyle \alpha _{n}}$ werden vollständige Quotienten genannt. Es gilt

${\displaystyle \alpha =[b_{0};b_{1},\dotsc ,b_{n},\alpha _{n+1}]}$.

Ähnlich wie das Bildungsgesetz für die Näherungsbrüche beweist man:

${\displaystyle \alpha ={\frac {p_{n}\cdot \alpha _{n+1}+p_{n-1}}{q_{n}\cdot \alpha _{n+1}+q_{n-1}}}.}$		(4)

Beispiele: Wir berechnen die Kettenbruchentwicklung von ${\displaystyle \pi }$ bis zur zweiten Stelle:

${\displaystyle \alpha _{0}=\pi \,}$ also ${\displaystyle b_{0}=3\,}$,

${\displaystyle \alpha _{1}=1/(\pi -3)=7{,}0625\ldots }$ also ${\displaystyle b_{1}=7\,}$,

${\displaystyle \alpha _{2}=1/0{,}0625\ldots =15{,}996\ldots }$ also ${\displaystyle b_{2}=15\,}$.

Sie lautet also ${\displaystyle [3;7,15,\dotsc ]}$. Weitere Stellen gibt es im Artikel Kreiszahl, ein Muster wurde jedoch bislang in der regulären Kettenbruchentwicklung von ${\displaystyle \pi }$ nicht entdeckt.

Im Gegensatz dazu findet man ein klares Muster in den Kettenbrüchen der eulerschen Zahl

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {e} &=[2;\quad \;\;\;1,2,1,1,4,1,1,6,1,1,8,1,1,10,1,\dotsc ]\\&=[1;0,1,1,2,1,1,4,1,1,6,1,1,8,1,1,10,1,\dotsc ]\end{aligned}}}$

sowie deren ${\displaystyle n}$-ter Wurzel

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{\mathrm {e} }}=[1;n-1,1,1,3n-1,1,1,5n-1,1,1,7n-1,1,1,\dotsc ]}$.

Bei der dritten Wurzel von ${\displaystyle 2}$ gibt es wiederum kein Muster:

${\displaystyle {\sqrt[{3}]{2}}=[1;3,1,5,1,1,4,1,1,8,1,14,\dotsc ]}$

Als Beispiel für die Verwendung von Gleichung (4) betrachte man die aufeinanderfolgenden Näherungsbrüche 17/12 und 41/29 von ${\displaystyle {\sqrt {2}}=[1;{\overline {2}}]}$.

Da die vollständigen Quotienten für ${\displaystyle n>0}$ gleich ${\displaystyle [2;{\overline {2}}]=1+{\sqrt {2}}}$ sind, gilt:

${\displaystyle {\sqrt {2}}={\frac {41\cdot (1+{\sqrt {2}})+17}{29\cdot (1+{\sqrt {2}})+12}}}$

Wie im Abschnitt „Geschichte“ erwähnt, fand Euler heraus, dass periodische Kettenbrüche (so wie bei der Quadratwurzel von ${\displaystyle 2}$ oder bei der goldenen Zahl) quadratischen Irrationalzahlen entsprechen, und Lagrange zeigte später, dass alle diese Zahlen periodische Kettenbrüche haben. Diesem Thema ist der übernächste Abschnitt gewidmet.

Äquivalente Zahlen

Zwei reelle Zahlen ${\displaystyle x,y}$ heißen äquivalent, wenn es ganze Zahlen ${\displaystyle a,b,c,d}$ mit ${\displaystyle ad-bc=\pm 1}$ gibt, sodass ${\displaystyle y={\tfrac {ax+b}{cx+d}}}$ gilt. Das heißt, sie sind durch eine ganzzahlige Möbiustransformation mit Determinante ${\displaystyle \pm 1}$ verbunden (Elementen der speziellen linearen Gruppe ${\displaystyle \operatorname {SL} (2,\mathbb {Z} )}$). Man sieht leicht, dass diese Definition tatsächlich eine Äquivalenzrelation auf den reellen Zahlen liefert: Mit ${\displaystyle a=d=1,b=c=0}$ ist die Reflexivität gezeigt, mit ${\displaystyle x={\tfrac {b-dy}{-a+cy}}}$ folgt die Symmetrie, und die Transitivität kann man explizit nachrechnen.

Jede rationale Zahl ist äquivalent zu 0, alle rationalen Zahlen bilden also eine Äquivalenzklasse. Daher ist diese Einteilung der reellen Zahlen hauptsächlich für irrationale Zahlen interessant. Die Beziehung zu ihren regelmäßigen Kettenbruchentwicklungen ergibt sich durch folgenden Satz von Serret:

Satz: Zwei irrationale Zahlen ${\displaystyle x,y}$ sind genau dann äquivalent, wenn ihre Kettenbruchdarstellungen ${\displaystyle x=[u_{0};u_{1},u_{2},\dotsc ]}$ und ${\displaystyle y=[v_{0};v_{1},v_{2},\dotsc ]}$ so beschaffen sind, dass es natürliche Zahlen ${\displaystyle h}$ und ${\displaystyle k}$ gibt, sodass für alle ${\displaystyle i\in \mathbb {N} }$ ${\displaystyle u_{h+i}=v_{k+i}}$ gilt.

Die Übereinstimmung in ihren Kettenbruchdarstellungen bis auf eine unterschiedliche Anfangssequenz führt bei äquivalenten Zahlen zu asymptotisch gleichen Approximationseigenschaften. Ein Beispiel ist im Abschnitt Sätze über quadratische Approximierbarkeit angeführt (Gleichung 5).

Andere unendliche Kettenbrüche

In der Analysis kommen auch unendliche Kettenbrüche vor, die von den oben genannte Regularitätsbedingungen abweichen, wobei die Teilnenner und die Teilzähler jedoch Folgen von reellen oder komplexen Zahlen bilden, die gewissen Konvergenzbedingungen genügen.

In diesem Zusammenhang wird immer wieder der Fall behandelt, bei dem alle Teilnenner (bis auf den 0-ten) gleich ${\displaystyle 1}$ sind. Ein klassisches Beispiel dazu bietet die schon von Leonhard Euler angegebene Kettenbruchdarstellung des Logarithmus von ${\displaystyle 2}$, nämlich:

${\displaystyle \ln 2={\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {4}{1+{\cfrac {9}{1+{\cfrac {16}{1+{\cfrac {25}{1+{\cfrac {36}{1+{\cfrac {49}{1+\dotsb }}}}}}}}}}}}}}}}}$,

bei der die Teilzähler ab dem 2-ten aus der Folge der Quadratzahlen hervorgehen.

Satz von Euler-Lagrange

Satz: Jeder periodische Kettenbruch ist eine quadratische Irrationalzahl und umgekehrt.

Der erste Teil des Satzes ist einfacher zu beweisen und stammt von Euler, während die Umkehrung schwieriger ist und erst später von Lagrange bewiesen wurde.

Beispiele

1. Sei ${\displaystyle x=[1;{\overline {1}}]}$. Dann gilt ${\displaystyle x=1+{\tfrac {1}{x}}}$, also ist ${\displaystyle x}$ Wurzel der quadratischen Gleichung ${\displaystyle x^{2}-x-1=0}$, woraus ${\displaystyle x={\tfrac {1+{\sqrt {5}}}{2}}}$ folgt (da die andere Nullstelle negativ ist). Daher ist ${\displaystyle x}$ die goldene Zahl (siehe auch den Artikel Goldener Schnitt).
2. Sei ${\displaystyle x=[1;{\overline {2}}]}$. Wir betrachten ${\displaystyle y=x-1}$. Dann ist ${\displaystyle y={\tfrac {1}{2+y}}}$, woraus ${\displaystyle y^{2}+2y=1}$ und ${\displaystyle y+1=\pm {\sqrt {2}}}$ folgt. Da ${\displaystyle y>0}$ gilt, muss ${\displaystyle y+1={\sqrt {2}}}$ sein. Daher gilt ${\displaystyle x={\sqrt {2}}}$.
3. Sei ${\displaystyle x=[1;{\overline {1,2}}]}$. Wir betrachten ${\displaystyle y=x-1}$. Dann ist ${\displaystyle y={\tfrac {1}{1+{\frac {1}{2+y}}}}}$, also ${\displaystyle y={\tfrac {2+y}{3+y}}}$, woraus ${\displaystyle y^{2}+2y+1=3}$ und ${\displaystyle y+1=\pm {\sqrt {3}}}$ folgt. Da ${\displaystyle y>0}$ gilt, muss ${\displaystyle y+1={\sqrt {3}}}$ sein. Daher gilt ${\displaystyle x={\sqrt {3}}}$.
4. Eine besondere Form periodischer unendlicher Kettenbrüche haben die sogenannten „noblen Zahlen“: Ihre Kettenbruchentwicklung endet stets mit ${\displaystyle [\dotsc ,{\overline {1}}]}$. Die goldene Zahl ist das wohl prominenteste Beispiel einer noblen Zahl.
5. Die Kettenbrüche irrationaler Quadratwurzeln rationaler Zahlen größer als 1 haben eine besondere Symmetrie: Für jede rationale Zahl ${\displaystyle r>1}$, die nicht Quadrat einer rationalen Zahl ist, gilt

${\displaystyle {\sqrt {r}}=[b_{0};{\overline {b_{1},b_{2},\dotsc ,b_{2},b_{1},2b_{0}}}]{\text{ mit }}b_{0}>0}$

und umgekehrt ist das Quadrat jedes Kettenbruchs dieser Form eine rationale Zahl.

Die Vorperiode hat also stets Länge ${\displaystyle 1}$, der periodische Block ist zunächst symmetrisch und wird dann beendet mit ${\displaystyle 2b_{0}}$. Beispiele dafür sind außer den Wurzeln von ${\displaystyle 2}$ und ${\displaystyle 3}$:

${\displaystyle {\sqrt {7}}=[2;{\overline {1,1,1,4}}]}$

${\displaystyle {\sqrt {14}}=[3;{\overline {1,2,1,6}}]}$

Der Kettenbruch der Quadratwurzel von ${\displaystyle 13}$ in einem Werk von Euler über die Pellsche Gleichung ist rechts abgebildet. Die goldene Zahl aus Beispiel 1 hat diese Form nicht. Ein weiteres „Gegen“-Beispiel dieser Art ist ${\displaystyle {\sqrt {3}}+{\tfrac {1}{2}}=[2;{\overline {4,3}}]}$.

Pellsche Gleichung

Periodische Kettenbrüche werden zur Lösung der Pellschen Gleichung ${\displaystyle x^{2}-d\cdot y^{2}=\pm 1}$ verwendet.

Zwei Möglichkeiten bester Näherung

In der Einleitung wurde erwähnt, dass die Bestimmung von „guten Näherungsbrüchen“ eine wichtige Anwendung von Kettenbrüchen ist. Es gilt nämlich, dass jeder Näherungsbruch der Kettenbruchentwicklung einer reellen Zahl eine besonders gute rationale Näherung dieser Zahl ist.

Da man jede irrationale Zahl beliebig genau durch rationale Zahlen approximieren kann, gibt es keine absolute beste Näherung an eine irrationale Zahl. Man unterscheidet stattdessen zwei Arten von „Rekordnäherungen“:

Definition: Ein Bruch ${\displaystyle a/b}$ ist eine beste Näherung 1. Art für die reelle Zahl ${\displaystyle \alpha }$, wenn für alle Brüche ${\displaystyle c/d}$ mit ${\displaystyle d\leq b}$ und ${\displaystyle a/b\neq c/d}$ gilt:

${\displaystyle \left|\alpha -{\frac {a}{b}}\right|<\left|\alpha -{\frac {c}{d}}\right|.}$

Einen besseren Näherungsbruch kann man also nur bekommen, wenn man größere Nenner als ${\displaystyle b}$ erlaubt.

(Der Einfachheit halber beschränken wir uns auf positive reelle Zahlen und betrachten daher nur natürliche Zahlen ${\displaystyle a,b,c,d}$ als Zähler und Nenner.) Weiter:

Ein Bruch ${\displaystyle a/b}$ ist eine beste Näherung 2. Art für die reelle Zahl ${\displaystyle \alpha }$, wenn für alle Brüche ${\displaystyle c/d}$ mit ${\displaystyle d\leq b}$ und ${\displaystyle a/b\neq c/d}$ gilt:

${\displaystyle \left|b\cdot \alpha -a\right|<\left|d\cdot \alpha -c\right|}$

Beide Begriffe bester Näherung werden – je nach Anwendung – gebraucht.

Die stärkere Bedingung ist die zweite: Angenommen, es gibt einen Bruch ${\displaystyle c/d}$ mit ${\displaystyle d\leq b}$ und ${\displaystyle \left|\alpha -{\tfrac {c}{d}}\right|\leq \left|\alpha -{\tfrac {a}{b}}\right|}$, dann liefert die Multiplikation mit ${\displaystyle d\leq b}$ die Ungleichung ${\displaystyle \left|d\cdot \alpha -c\right|\leq \left|b\cdot \alpha -a\right|}$. Das zeigt, dass ein Bruch, der nicht beste Näherung der 1. Art ist, auch keine beste Näherung 2. Art sein kann. Daraus folgt, dass jede beste Näherung 2. Art ebenso eine beste Näherung 1. Art ist.

Beispiel: Wir betrachten ${\displaystyle 17/10=[1;1,2,3]}$. Die Näherungsbrüche ${\displaystyle p_{1}/q_{1}}$, ${\displaystyle p_{2}/q_{2}}$, ${\displaystyle p_{3}/q_{3}}$ lauten ${\displaystyle 2/1}$, ${\displaystyle 5/3}$ und ${\displaystyle 17/10}$ und sie bilden die vollständige Liste der besten Näherungen 2. Art. Es gibt jedoch weitere beste Näherungen 1. Art, nämlich ${\displaystyle 3/2}$ und ${\displaystyle 12/7}$. Dieses Thema wird in den nächsten beiden Abschnitten behandelt.

Näherungsbrüche sind beste Näherungen

Die Nützlichkeit der Näherungsbrüche zeigt sich in folgendem Satz:

Satz (Lagrange): Für jede reelle Zahl gilt: Jeder Näherungsbruch ${\displaystyle p_{n}/q_{n}}$ mit ${\displaystyle n>0}$ ist eine beste Näherung 2. Art (und daher auch eine beste Näherung 1. Art).

Für einen 0-ten Näherungsbruch gilt dies nicht immer, da dieser beispielsweise bei ${\displaystyle 17/10}$ den Wert ${\displaystyle 1}$ hat, aber die ganze Zahl ${\displaystyle 2}$ eine bessere Näherung mit Nenner ${\displaystyle 1}$ darstellt.

Man kann diesen Satz im Fall von besten Näherungen 2. Art umkehren:

Satz: Jede beste Näherung 2. Art einer reellen Zahl ist ein Näherungsbruch ihrer (regulären) Kettenbruchentwicklung.

Für Näherungen 1. Art gilt dies jedoch nicht, wie oben im Beispiel 17/10 dargestellt. Man kann jedoch die zusätzlich auftretenden Brüche charakterisieren: Sie entstehen als Medianten (Farey-Summen) von Näherungsbrüchen und werden Nebennäherungsbrüche genannt. Näheres dazu im nächsten Abschnitt.

Beispiel: Angenommen, man sucht die kleinste natürliche Zahl ${\displaystyle q}$, für die der Abstand von ${\displaystyle q\cdot {\sqrt {2}}}$ von der nächstgelegenen ganzen Zahl kleiner als ${\displaystyle 1/1000}$ ist. Aufgrund des letzten Satzes muss ${\displaystyle q}$ in der Folge der Näherungsbruch-Nenner ${\displaystyle q_{n}}$ von ${\displaystyle {\sqrt {2}}=[1;2,2,\dotsc ]}$ enthalten sein. Die ersten Nenner lauten, wie schon oben ausgerechnet, ${\displaystyle 1,2,5,12,29}$. Diese lassen sich, aufgrund der periodischen Teilnenner, leicht durch die Rekursion ${\displaystyle q_{n}=2\cdot q_{n-1}+q_{n-2}}$ (eine Lucas-Folge) mit ${\displaystyle 70,169,408,985}$ usw. fortsetzen. Der Näherungsbruch ${\displaystyle p_{7}/q_{7}}$ ist gleich ${\displaystyle 577/408}$ und es gilt ${\displaystyle 408\cdot {\sqrt {2}}=576{,}99913}$, sodass der Abstand zu ${\displaystyle 577}$ kleiner als die geforderte Genauigkeit ist. Das gesuchte ${\displaystyle q}$ ist also gleich ${\displaystyle 408}$, da die Genauigkeit von ${\displaystyle 1/1000}$ für ${\displaystyle p_{6}/q_{6}}$ gleich ${\displaystyle 239/169}$ nicht erreicht ist (${\displaystyle 169\cdot {\sqrt {2}}=239{,}00209}$).

Die gleiche Frage für die goldene Zahl ${\displaystyle \phi }$ führt zur Überprüfung von ${\displaystyle f_{n}\cdot \phi }$ für Elemente ${\displaystyle f_{n}}$ der Fibonacci-Folge und man erhält als Ergebnis ${\displaystyle q=610}$, was zu dem Näherungsbruch ${\displaystyle p_{15}/q_{15}}$ gehört. Bei der Kreiszahl ${\displaystyle \pi }$ erfüllt bereits der dritte Näherungsbruch (${\displaystyle 355/113}$) diese Bedingung.

Approximation von oben und unten, Nebennäherungsbrüche

Schon 1770 hatte sich Lagrange mit dem Thema beschäftigt, welche Näherungen 1. Art zusätzlich zu den Näherungsbrüchen auftreten (siehe Abbildung rechts). Er wurde zu den „fractions secondaires“ geführt, die im Deutschen Nebennäherungsbrüche genannt werden.

Es handelt sich um Medianten benachbarter Näherungsbrüche:

Definition: Für zwei positive Brüche ${\displaystyle a/b}$, ${\displaystyle c/d}$ mit ${\displaystyle a/b<c/d}$ heißt ${\displaystyle (a+c)/(b+d)}$ der Mediant (oder die Farey-Summe) der beiden Brüche. Der Mediant hat die einfach zu zeigende Eigenschaft, dass ${\displaystyle a/b<(a+c)/(b+d)<c/d}$.

Aufgrund dieser Eigenschaft kann man die Bildung des Medianten wiederholt ausführen (iterieren) und bekommt Brüche der Form

${\displaystyle {\frac {a+r\cdot c}{b+r\cdot d}},}$

die eine aufsteigende Folge bilden. Für die folgende Definition der Nebennäherungsbrüche werden also iterierte Medianten benachbarter Näherungsbrüche gebildet:

Definition: Die zu einem Kettenbruch gehörenden Brüche

${\displaystyle {\frac {p_{n,r}}{q_{n,r}}}={\frac {r\cdot p_{n+1}+p_{n}}{r\cdot q_{n+1}+q_{n}}},\,r=1,\dotsc ,b_{n+2}-1}$

heißen Nebennäherungsbrüche. Sie liegen zwischen dem ${\displaystyle n}$-ten und dem ${\displaystyle (n+2)}$-ten Näherungsbruch. Für gerades ${\displaystyle n}$ bilden sie eine steigende Folge und für ungerades ${\displaystyle n}$ eine fallende Folge.

Anmerkung: im besonderen Fall ${\displaystyle n={-1}}$ verwendet man ${\displaystyle p_{-1}=1}$, ${\displaystyle q_{-1}=0}$ und erhält eine fallende Folge, die größer ist als ${\displaystyle p_{1}/q_{1}}$.

Satz (Lagrange 1798): Jede beste Näherung 1. Art einer reellen Zahl ist ein Näherungsbruch oder ein Nebennäherungsbruch ihrer Kettenbruchentwicklung.

Eine Charakterisierung der Menge der Näherungsbrüche und Nebennäherungsbrüche kann man wie folgt erhalten:

Satz (Lagrange 1798): Für jede reelle Zahl ${\displaystyle \alpha }$ gilt:

a) Jeder Bruch, der zwischen ${\displaystyle \alpha }$ und einem Näherungs- oder Nebennäherungsbruch liegt, hat einen größeren Nenner als dieser.

b) Ist umgekehrt ein Bruch ${\displaystyle a/b}$ von der Art, dass jeder Bruch, der zwischen ${\displaystyle \alpha }$ und ${\displaystyle a/b}$ liegt, einen Nenner größer als ${\displaystyle b}$ hat, dann ist ${\displaystyle a/b}$ ein Näherungs- oder Nebennäherungsbruch.

In anderen Worten: Betrachtet man nur approximierende Brüche größer als ${\displaystyle \alpha }$ (oder umgekehrt kleiner als ${\displaystyle \alpha }$), so sind die Rekordnäherungen vollständig durch die Menge der Näherungs- oder Nebennäherungsbrüche beschrieben.

In der Definition der besten Näherung 1. Art werden aber die Approximationen von oben und unten gleichzeitig betrachtet. Die Analyse dieser Situation (Verfeinerung des vorletzten Satzes) ergibt:

Satz: Es sei ${\displaystyle m=b_{n+2}-1}$ die Anzahl der Nebennäherungsbrüche zwischen dem ${\displaystyle n}$-ten und dem ${\displaystyle (n+2)}$-ten Näherungsbruch. Dann gilt: Ist ${\displaystyle m}$ gerade, so ergibt die zweite Hälfte der Nebennäherungsbrüche beste Näherungen 1. Art, die erste Hälfte aber nicht. Das Gleiche gilt – mit Ausnahme des mittleren Elements –, wenn ${\displaystyle m}$ ungerade ist. Für den mittleren Bruch gibt es eine kompliziertere Bedingung, die wir hier nicht angeben.

Beispiele:

a) Wir betrachten das einfache Beispiel ${\displaystyle [1;5,2]=13/11}$. Die Näherungsbrüche sind ${\displaystyle 1/1}$, ${\displaystyle 6/5}$ und ${\displaystyle 13/11}$. Die Nebennäherungsbrüche für ${\displaystyle n={-1}}$ sind ${\displaystyle 2/1}$, ${\displaystyle 3/2}$, ${\displaystyle 4/3}$, ${\displaystyle 5/4}$ (größer als ${\displaystyle 6/5}$) und für ${\displaystyle n=0}$ ist es der Bruch ${\displaystyle 7/6}$ (zwischen ${\displaystyle 1/1}$ und ${\displaystyle 13/11}$).

b) Für die Kreiszahl ${\displaystyle \pi =[3;7,15,1,292,\dotsc ]}$ lauten die ersten Näherungsbrüche ${\displaystyle 3/1}$, ${\displaystyle 22/7}$, ${\displaystyle 333/106}$ und ${\displaystyle 355/113}$. Die Nebennäherungsbrüche sind für ${\displaystyle n={-1}}$ die Brüche ${\displaystyle 4/1}$, ${\displaystyle 7/2}$, ${\displaystyle 10/3}$, ${\displaystyle 13/4}$, ${\displaystyle 16/5}$, ${\displaystyle 19/6}$. Sie bilden eine fallende Folge und die letzten drei sind beste Näherungen 1. Art. (Die ersten drei sind weiter entfernt von ${\displaystyle \pi }$ als der Näherungsbruch ${\displaystyle p_{0}/q_{0}=3/1}$). Für ${\displaystyle n=0}$ findet man die Nebennäherungsbrüche ${\displaystyle 25/8}$, ${\displaystyle 47/15}$, ${\displaystyle 69/22}$, ${\displaystyle 91/29}$, ${\displaystyle 113/36}$, ${\displaystyle 135/43}$, ${\displaystyle 157/50}$, ${\displaystyle 179/57}$, ${\displaystyle 201/64}$, ${\displaystyle 223/71}$, ${\displaystyle 245/78}$, ${\displaystyle 267/85}$, ${\displaystyle 289/92}$, ${\displaystyle 311/99}$. Diese ${\displaystyle 14}$ Brüche bilden eine steigende Folge und die letzten sieben sind beste Näherungen 1. Art.

In der Abbildung rechts sind diese (Neben-)Näherungsbrüche illustriert: Auf der ${\displaystyle y}$-Achse ist ${\displaystyle \log _{10}|\pi -p/q|}$ gegen ${\displaystyle q}$ auf der ${\displaystyle x}$-Achse abgetragen. Außer den Näherungen von unten (rot) und von oben (blau) enthält die Graphik noch die Schranke ${\displaystyle 1/({\sqrt {5}}\cdot q^{2})}$, deren Bedeutung im nächsten Abschnitt klar wird. Gut zu sehen ist, dass nur die zweite Hälfte der Nebennäherungsbrüche für ${\displaystyle n=0}$ eine bessere Näherung liefert als ${\displaystyle 22/7}$. Außerdem sieht man, dass die Näherung durch ${\displaystyle 355/113}$ außergewöhnlich gut ist (Grund dafür: Der nächste Teilnenner ist mit ${\displaystyle 292}$ sehr groß).

Sätze über quadratische Approximierbarkeit

In diesem Abschnitt stellen wir Ergebnisse vor, die zum Thema „Diophantische Approximation“ überleiten.

Aus Gleichung (3) folgt wegen ${\displaystyle q_{n+1}>q_{n}}$: Zu jeder irrationalen Zahl ${\displaystyle \alpha }$ gibt es unendlich viele Brüche ${\displaystyle a/b}$ mit