Fórmula de fracción continua de Euler

Conecta una serie infinita muy general con una fracción continua infinita.

En la teoría analítica de fracciones continuas , la fórmula de fracción continua de Euler es una identidad que conecta una determinada serie infinita muy general con una fracción continua infinita . Publicado por primera vez en 1748, al principio se consideró como una identidad simple que conectaba una suma finita con una fracción continua finita de tal manera que la extensión al caso infinito era inmediatamente evidente. ^[1] Hoy en día se aprecia más plenamente como una herramienta útil en ataques analíticos al problema de convergencia general para fracciones continuas infinitas con elementos complejos.

La fórmula original

Euler derivó la fórmula conectando una suma finita de productos con una fracción continua finita .

${\displaystyle a_{0}+a_{0}a_{1}+a_{0}a_{1}a_{2}+\cdots +a_{0}a_{1}a_{2}\cdots a_{n}={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{1+a_{1}-{\cfrac {a_{2}}{1+a_{2}-{\cfrac {\ddots }{\ddots {\cfrac {a_{n-1}}{1+a_{n-1}-{\cfrac {a_{n}}{1+a_{n}}}}}}}}}}}}}\,}$

La identidad se establece fácilmente por inducción en n , y por lo tanto es aplicable en el límite: si la expresión de la izquierda se extiende para representar una serie infinita convergente , la expresión de la derecha también se puede extender para representar una fracción continua infinita convergente .

Esto se escribe de manera más compacta usando notación de fracción continua generalizada :

${\displaystyle a_{0}+a_{0}a_{1}+a_{0}a_{1}a_{2}+\cdots +a_{0}a_{1}a_{2}\cdots a_{n}={\frac {a_{0}}{1+}}\,{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}+}}\,{\cfrac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\cdots {\frac {-a_{n}}{1+a_{n}}}.}$

la fórmula de euler

Si r _i son números complejos y x está definido por

${\displaystyle x=1+\sum _{i=1}^{\infty }r_{1}r_{2}\cdots r_{i}=1+\sum _{i=1}^{\infty }\left(\prod _{j=1}^{i}r_{j}\right)\,,}$

entonces esta igualdad se puede demostrar por inducción

${\displaystyle x={\cfrac {1}{1-{\cfrac {r_{1}}{1+r_{1}-{\cfrac {r_{2}}{1+r_{2}-{\cfrac {r_{3}}{1+r_{3}-\ddots }}}}}}}}\,}$.

Aquí la igualdad debe entenderse como equivalencia, en el sentido de que el n'ésimo convergente de cada fracción continua es igual a la n'ésima suma parcial de la serie mostrada arriba. Entonces, si la serie mostrada es convergente (o uniformemente convergente, cuando las r _i son funciones de alguna variable compleja z ), entonces las fracciones continuas también convergen, o convergen uniformemente. ^[2]

Prueba por inducción

Teorema: Sea un número natural. Para valores complejos , ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n+1}$ ${\displaystyle a_{0},a_{1},\ldots ,a_{n}}$

${\displaystyle \sum _{k=0}^{n}\prod _{j=0}^{k}a_{j}={\frac {a_{0}}{1+}}\,{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}+}}\cdots {\frac {-a_{n}}{1+a_{n}}}}$

y para valores complejos , ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$ ${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+}}\,{\frac {-b_{2}}{1+b_{2}+}}\cdots {\frac {-b_{n}}{1+b_{n}}}\neq -1.}$

Prueba: Realizamos una doble inducción. Para , tenemos ${\displaystyle n=1}$

${\displaystyle {\frac {a_{0}}{1+}}\,{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}}}={\frac {a_{0}}{1+{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}}}}}={\frac {a_{0}(1+a_{1})}{1}}=a_{0}+a_{0}a_{1}=\sum _{k=0}^{1}\prod _{j=0}^{k}a_{j}}$

y

${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}}}\neq -1.}$

Ahora supongamos que ambas afirmaciones son verdaderas para algunos . ${\displaystyle n\geq 1}$

tenemos donde ${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+}}\,{\frac {-b_{2}}{1+b_{2}+}}\cdots {\frac {-b_{n+1}}{1+b_{n+1}}}={\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+x}}}$ ${\displaystyle x={\frac {-b_{2}}{1+b_{2}+}}\cdots {\frac {-b_{n+1}}{1+b_{n+1}}}\neq -1}$

aplicando la hipótesis de inducción a . ${\displaystyle b_{2},\ldots ,b_{n+1}}$

Pero si implica implica , contradicción. Por eso ${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+x}}=-1}$ ${\displaystyle b_{1}=1+b_{1}+x}$ ${\displaystyle x=-1}$

${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+}}\,{\frac {-b_{2}}{1+b_{2}+}}\cdots {\frac {-b_{n+1}}{1+b_{n+1}}}\neq -1,}$

completando esa inducción.

Tenga en cuenta que para , ${\displaystyle x\neq -1}$

${\displaystyle {\frac {1}{1+}}\,{\frac {-a}{1+a+x}}={\frac {1}{1-{\frac {a}{1+a+x}}}}={\frac {1+a+x}{1+x}}=1+{\frac {a}{1+x}};}$

si , entonces ambos lados son cero. ${\displaystyle x=-1-a}$

Usando y y aplicando la hipótesis de inducción a los valores , ${\displaystyle a=a_{1}}$ ${\displaystyle x={\frac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\,\cdots {\frac {-a_{n+1}}{1+a_{n+1}}}\neq -1}$ ${\displaystyle a_{1},a_{2},\ldots ,a_{n+1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}a_{0}+&a_{0}a_{1}+a_{0}a_{1}a_{2}+\cdots +a_{0}a_{1}a_{2}a_{3}\cdots a_{n+1}\\&=a_{0}+a_{0}(a_{1}+a_{1}a_{2}+\cdots +a_{1}a_{2}a_{3}\cdots a_{n+1})\\&=a_{0}+a_{0}{\big (}{\frac {a_{1}}{1+}}\,{\frac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\,\cdots {\frac {-a_{n+1}}{1+a_{n+1}}}{\big )}\\&=a_{0}{\big (}1+{\frac {a_{1}}{1+}}\,{\frac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\,\cdots {\frac {-a_{n+1}}{1+a_{n+1}}}{\big )}\\&=a_{0}{\big (}{\frac {1}{1+}}\,{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}+}}\,{\frac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\,\cdots {\frac {-a_{n+1}}{1+a_{n+1}}}{\big )}\\&={\frac {a_{0}}{1+}}\,{\frac {-a_{1}}{1+a_{1}+}}\,{\frac {-a_{2}}{1+a_{2}+}}\,\cdots {\frac {-a_{n+1}}{1+a_{n+1}}},\end{aligned}}}$

completando la otra inducción.

Por ejemplo, la expresión se puede reorganizar en una fracción continua. ${\displaystyle a_{0}+a_{0}a_{1}+a_{0}a_{1}a_{2}+a_{0}a_{1}a_{2}a_{3}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}a_{0}+a_{0}a_{1}+a_{0}a_{1}a_{2}+a_{0}a_{1}a_{2}a_{3}&=a_{0}(a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1)\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{\cfrac {1}{a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}}}\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{{\cfrac {a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}{a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}}-{\cfrac {a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)}{a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}}}}={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)}{a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}}}}\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{\cfrac {a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)+1}{a_{2}(a_{3}+1)+1}}}}}\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{{\cfrac {a_{1}(a_{2}(a_{3}+1)+1)}{a_{2}(a_{3}+1)+1}}+{\cfrac {a_{2}(a_{3}+1)+1}{a_{2}(a_{3}+1)+1}}-{\cfrac {a_{2}(a_{3}+1)}{a_{2}(a_{3}+1)+1}}}}}}={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{1+a_{1}-{\cfrac {a_{2}(a_{3}+1)}{a_{2}(a_{3}+1)+1}}}}}}\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{1+a_{1}-{\cfrac {a_{2}}{\cfrac {a_{2}(a_{3}+1)+1}{a_{3}+1}}}}}}}\\[8pt]&={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{1+a_{1}-{\cfrac {a_{2}}{{\cfrac {a_{2}(a_{3}+1)}{a_{3}+1}}+{\cfrac {a_{3}+1}{a_{3}+1}}-{\cfrac {a_{3}}{a_{3}+1}}}}}}}}={\cfrac {a_{0}}{1-{\cfrac {a_{1}}{1+a_{1}-{\cfrac {a_{2}}{1+a_{2}-{\cfrac {a_{3}}{1+a_{3}}}}}}}}}\end{aligned}}}$

Esto se puede aplicar a una secuencia de cualquier longitud y, por lo tanto, también se aplicará en el caso infinito.

Ejemplos

La función exponencial

La función exponencial e ^x es una función completa con una expansión en serie de potencias que converge uniformemente en cada dominio acotado en el plano complejo.

${\displaystyle e^{x}=1+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}=1+\sum _{n=1}^{\infty }\left(\prod _{i=1}^{n}{\frac {x}{i}}\right)\,}$

La aplicación de la fórmula de fracción continua de Euler es sencilla:

${\displaystyle e^{x}={\cfrac {1}{1-{\cfrac {x}{1+x-{\cfrac {{\frac {1}{2}}x}{1+{\frac {1}{2}}x-{\cfrac {{\frac {1}{3}}x}{1+{\frac {1}{3}}x-{\cfrac {{\frac {1}{4}}x}{1+{\frac {1}{4}}x-\ddots }}}}}}}}}}.\,}$

Aplicando una transformación de equivalencia que consiste en borrar las fracciones este ejemplo se simplifica a

${\displaystyle e^{x}={\cfrac {1}{1-{\cfrac {x}{1+x-{\cfrac {x}{2+x-{\cfrac {2x}{3+x-{\cfrac {3x}{4+x-\ddots }}}}}}}}}}\,}$

y podemos estar seguros de que esta fracción continua converge uniformemente en cada dominio acotado en el plano complejo porque es equivalente a la serie de potencias para e ^x .

El logaritmo natural

La serie de Taylor para la rama principal del logaritmo natural en la vecindad de 1 es bien conocida:

${\displaystyle \log(1+x)=x-{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{3}}-{\frac {x^{4}}{4}}+\cdots =\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}z^{n}}{n}}.\,}$

Esta serie converge cuando | x | < 1 y también se puede expresar como suma de productos: ^[3]

${\displaystyle \log(1+x)=x+(x)\left({\frac {-x}{2}}\right)+(x)\left({\frac {-x}{2}}\right)\left({\frac {-2x}{3}}\right)+(x)\left({\frac {-x}{2}}\right)\left({\frac {-2x}{3}}\right)\left({\frac {-3x}{4}}\right)+\cdots }$

La aplicación de la fórmula de fracción continua de Euler a esta expresión muestra que

${\displaystyle \log(1+x)={\cfrac {x}{1-{\cfrac {\frac {-x}{2}}{1+{\frac {-x}{2}}-{\cfrac {\frac {-2x}{3}}{1+{\frac {-2x}{3}}-{\cfrac {\frac {-3x}{4}}{1+{\frac {-3x}{4}}-\ddots }}}}}}}}}$

y usar una transformación de equivalencia para borrar todas las fracciones da como resultado

${\displaystyle \log(1+x)={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x}{2-x+{\cfrac {2^{2}x}{3-2x+{\cfrac {3^{2}x}{4-3x+\ddots }}}}}}}}}$

Esta fracción continua converge cuando | x | < 1 porque es equivalente a la serie de la que se derivó. ^[3]

Las funciones trigonométricas.

La serie de Taylor de la función seno converge en todo el plano complejo y puede expresarse como suma de productos.

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}&=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+{\frac {x^{9}}{9!}}-\cdots \\[8pt]&=x+(x)\left({\frac {-x^{2}}{2\cdot 3}}\right)+(x)\left({\frac {-x^{2}}{2\cdot 3}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{4\cdot 5}}\right)+(x)\left({\frac {-x^{2}}{2\cdot 3}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{4\cdot 5}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{6\cdot 7}}\right)+\cdots \end{aligned}}}$

Luego se puede aplicar la fórmula de fracción continua de Euler

${\displaystyle {\cfrac {x}{1-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{2\cdot 3}}{1+{\frac {-x^{2}}{2\cdot 3}}-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{4\cdot 5}}{1+{\frac {-x^{2}}{4\cdot 5}}-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{6\cdot 7}}{1+{\frac {-x^{2}}{6\cdot 7}}-\ddots }}}}}}}}}$

Se utiliza una transformación de equivalencia para borrar los denominadores:

${\displaystyle \sin x={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3-x^{2}+{\cfrac {2\cdot 3x^{2}}{4\cdot 5-x^{2}+{\cfrac {4\cdot 5x^{2}}{6\cdot 7-x^{2}+\ddots }}}}}}}}.}$

El mismo argumento se puede aplicar a la función coseno :

${\displaystyle {\begin{aligned}\cos x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}x^{2n}&=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}-{\frac {x^{6}}{6!}}+{\frac {x^{8}}{8!}}-\cdots \\[8pt]&=1+{\frac {-x^{2}}{2}}+\left({\frac {-x^{2}}{2}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{3\cdot 4}}\right)+\left({\frac {-x^{2}}{2}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{3\cdot 4}}\right)\left({\frac {-x^{2}}{5\cdot 6}}\right)+\cdots \\[8pt]&={\cfrac {1}{1-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{2}}{1+{\frac {-x^{2}}{2}}-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{3\cdot 4}}{1+{\frac {-x^{2}}{3\cdot 4}}-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{5\cdot 6}}{1+{\frac {-x^{2}}{5\cdot 6}}-\ddots }}}}}}}}\end{aligned}}}$

${\displaystyle \therefore \cos x={\cfrac {1}{1+{\cfrac {x^{2}}{2-x^{2}+{\cfrac {2x^{2}}{3\cdot 4-x^{2}+{\cfrac {3\cdot 4x^{2}}{5\cdot 6-x^{2}+\ddots }}}}}}}}.}$

Las funciones trigonométricas inversas.

Las funciones trigonométricas inversas se pueden representar como fracciones continuas.

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin ^{-1}x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\cdot {\frac {x^{2n+1}}{2n+1}}&=x+\left({\frac {1}{2}}\right){\frac {x^{3}}{3}}+\left({\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}\right){\frac {x^{5}}{5}}+\left({\frac {1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6}}\right){\frac {x^{7}}{7}}+\cdots \\[8pt]&=x+x\left({\frac {x^{2}}{2\cdot 3}}\right)+x\left({\frac {x^{2}}{2\cdot 3}}\right)\left({\frac {(3x)^{2}}{4\cdot 5}}\right)+x\left({\frac {x^{2}}{2\cdot 3}}\right)\left({\frac {(3x)^{2}}{4\cdot 5}}\right)\left({\frac {(5x)^{2}}{6\cdot 7}}\right)+\cdots \\[8pt]&={\cfrac {x}{1-{\cfrac {\frac {x^{2}}{2\cdot 3}}{1+{\frac {x^{2}}{2\cdot 3}}-{\cfrac {\frac {(3x)^{2}}{4\cdot 5}}{1+{\frac {(3x)^{2}}{4\cdot 5}}-{\cfrac {\frac {(5x)^{2}}{6\cdot 7}}{1+{\frac {(5x)^{2}}{6\cdot 7}}-\ddots }}}}}}}}\end{aligned}}}$

Una transformación de equivalencia produce

${\displaystyle \sin ^{-1}x={\cfrac {x}{1-{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3+x^{2}-{\cfrac {2\cdot 3(3x)^{2}}{4\cdot 5+(3x)^{2}-{\cfrac {4\cdot 5(5x^{2})}{6\cdot 7+(5x^{2})-\ddots }}}}}}}}.}$

La fracción continua de la tangente inversa es sencilla:

${\displaystyle {\begin{aligned}\tan ^{-1}x=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n+1}}{2n+1}}&=x-{\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {x^{5}}{5}}-{\frac {x^{7}}{7}}+\cdots \\[8pt]&=x+x\left({\frac {-x^{2}}{3}}\right)+x\left({\frac {-x^{2}}{3}}\right)\left({\frac {-3x^{2}}{5}}\right)+x\left({\frac {-x^{2}}{3}}\right)\left({\frac {-3x^{2}}{5}}\right)\left({\frac {-5x^{2}}{7}}\right)+\cdots \\[8pt]&={\cfrac {x}{1-{\cfrac {\frac {-x^{2}}{3}}{1+{\frac {-x^{2}}{3}}-{\cfrac {\frac {-3x^{2}}{5}}{1+{\frac {-3x^{2}}{5}}-{\cfrac {\frac {-5x^{2}}{7}}{1+{\frac {-5x^{2}}{7}}-\ddots }}}}}}}}\\[8pt]&={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x^{2}}{3-x^{2}+{\cfrac {(3x)^{2}}{5-3x^{2}+{\cfrac {(5x)^{2}}{7-5x^{2}+\ddots }}}}}}}}.\end{aligned}}}$

Una fracción continua para π

Podemos usar el ejemplo anterior que involucra la tangente inversa para construir una representación de fracción continua de π . Notamos eso

${\displaystyle \tan ^{-1}(1)={\frac {\pi }{4}},}$

Y estableciendo x = 1 en el resultado anterior, obtenemos inmediatamente

${\displaystyle \pi ={\cfrac {4}{1+{\cfrac {1^{2}}{2+{\cfrac {3^{2}}{2+{\cfrac {5^{2}}{2+{\cfrac {7^{2}}{2+\ddots }}}}}}}}}}.\,}$

Las funciones hiperbólicas

Recordando la relación entre las funciones hiperbólicas y las funciones trigonométricas,

${\displaystyle \sin ix=i\sinh x}$

${\displaystyle \cos ix=\cosh x,}$

Y que las siguientes fracciones continuas se derivan fácilmente de las anteriores: ${\displaystyle i^{2}=-1,}$

${\displaystyle \sinh x={\cfrac {x}{1-{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3+x^{2}-{\cfrac {2\cdot 3x^{2}}{4\cdot 5+x^{2}-{\cfrac {4\cdot 5x^{2}}{6\cdot 7+x^{2}-\ddots }}}}}}}}}$

${\displaystyle \cosh x={\cfrac {1}{1-{\cfrac {x^{2}}{2+x^{2}-{\cfrac {2x^{2}}{3\cdot 4+x^{2}-{\cfrac {3\cdot 4x^{2}}{5\cdot 6+x^{2}-\ddots }}}}}}}}.}$

Las funciones hiperbólicas inversas

Las funciones hiperbólicas inversas están relacionadas con las funciones trigonométricas inversas de manera similar a como las funciones hiperbólicas están relacionadas con las funciones trigonométricas,

${\displaystyle \sin ^{-1}ix=i\sinh ^{-1}x}$

${\displaystyle \tan ^{-1}ix=i\tanh ^{-1}x,}$

Y estas fracciones continuas se derivan fácilmente:

${\displaystyle \sinh ^{-1}x={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3-x^{2}+{\cfrac {2\cdot 3(3x)^{2}}{4\cdot 5-(3x)^{2}+{\cfrac {4\cdot 5(5x^{2})}{6\cdot 7-(5x^{2})+\ddots }}}}}}}}}$

${\displaystyle \tanh ^{-1}x={\cfrac {x}{1-{\cfrac {x^{2}}{3+x^{2}-{\cfrac {(3x)^{2}}{5+3x^{2}-{\cfrac {(5x)^{2}}{7+5x^{2}-\ddots }}}}}}}}.}$

Ver también

• Fracción continua de Gauss
• Expansión de Engel
• Lista de temas que llevan el nombre de Leonhard Euler

Referencias

1. Leonhard Euler (1748), "18", Introductio in analysin infinitorum , vol. I
2. HS Wall, Teoría analítica de fracciones continuas , D. Van Nostrand Company, Inc., 1948; reimpreso (1973) por Chelsea Publishing Company ISBN 0-8284-0207-8 , p. 17. 
3. Esta serie converge para | x | < 1, según la prueba de Abel (aplicada a la serie para log(1 −  x )).