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  • 数论概论(Joseph H.Silverman) 定理39.1 连分数的递归公式

    连分数递归公式:设
    \begin{align*}
    \frac{p_n}{q_n}=[a_0,a_1,\cdots,a_n]=a_0+\dfrac{1}{a_{1}+\dfrac{1}{a_2+\dfrac{1}{\ddots
    +\dfrac{1}{a_n}}}}
    \end{align*}

    其中$a_0,a_1,a_2,\cdots$视为变量而不是特定的值,则分子$p_0,p_1,p_2,\cdots$由递归公式
    \begin{equation}
    p_0=a_0,p_1=a_1a_0+1,p_n=a_np_{n-1}+p_{n-2}(n\geq 2)
    \end{equation}
    给出,而分母$q_0,q_1,q_2,\cdots$由递归公式
    \begin{equation}
    q_0=1,q_1=a_{1},q_n=a_nq_{n-1}+q_{n-2}(n\geq 2)
    \end{equation}
    给出.

    证明:使用数学归纳法.当$n=0$时,$\frac{p_0}{q_0}=a_0$.此时,可以令$p_0=a_0,q_0=1$.设当$n=k$时,递推式成立,则即此时可以令
    \begin{equation}\label{eq:1111111111}
    p_k=a_kp_{k-1}+p_{k-2}
    \end{equation}

    \begin{equation}\label{eq:11111111111}
    q_k=a_kq_{k-1}+q_{k-2}
    \end{equation}
    则$n=k+1$时,我们把\ref{eq:1111111111}和\ref{eq:11111111111}中的$a_k$用$a_k+\frac{1}{a_{k+1}}$代替.可得
    \begin{equation}\label{eq:222}
    p_{k+1}=(a_k+\frac{1}{a_{k+1}})p_{k-1}+p_{k-2}
    \end{equation}且
    \begin{equation}\label{eq:22}
    q_{k+1}=(a_k+\frac{1}{a_{k+1}})q_{k-1}+q_{k-2}
    \end{equation}
    \ref{eq:222}即
    \begin{equation}\label{eq:1224}
    p_{k+1}=p_k+\frac{p_{k-1}}{a_{k+1}}
    \end{equation}
    \ref{eq:22}即
    \begin{equation}\label{eq:1225}
    q_{k+1}=q_k+\frac{q_{k-1}}{a_{k+1}}
    \end{equation}
    将\ref{eq:1224}和\ref{eq:1225}的右边都乘以$a_{k+1}$,$\frac{p_{k+1}}{q_{k+1}}$的值不会变.因此变为
    \begin{equation}
    p_{k+1}=a_{k+1}p_k+p_{k-1}
    \end{equation}且

    \begin{equation}
    q_{k+1}=a_{k+1}q_k+q_{k-1}
    \end{equation}

    根据数学归纳法,命题得证.

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