Fórmula de fracción continua de Euler

Connects a very general infinite series with an infinite continued fraction.

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 . Publicada por primera vez en 1748, al principio se consideró como una identidad simple que conecta 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 los ataques analíticos al problema de convergencia general para fracciones continuas infinitas con elementos complejos.

La fórmula original

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

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

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 puede extenderse para representar una fracción continua infinita convergente .

Esto se escribe de forma más compacta utilizando la notación de fracción continua generalizada :

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

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. Por lo tanto, 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 , ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$ ${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+}}\,{\frac {-b_{2}}{1+b_{2}+}}\cdots {\frac {-b_{n}}{1+b_{n}}}\neq -1.}$

Demostración: Realizamos una inducción doble. 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

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

Supongamos ahora que ambas afirmaciones son verdaderas para algún . ${\displaystyle n\geq 1}$

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 lo tanto ${\displaystyle {\frac {-b_{1}}{1+b_{1}+x}}=-1}$ ${\displaystyle b_{1}=1+b_{1}+x}$ ${\displaystyle x=-1}$

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

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. ${\displaystyle x=-1-a}$

Utilizando 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.

A modo de 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 despejar 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 puede expresarse como una 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 usando una transformación de equivalencia para limpiar todas las fracciones se obtiene 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 la suma de productos.

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

La fórmula de fracción continua de Euler se puede aplicar entonces.

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

Se utiliza una transformación de equivalencia para limpiar 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 para 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 utilizar el ejemplo anterior que involucra la tangente inversa para construir una representación de fracción continua de π . Observamos que

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

Y fijando 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 cómo 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:

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

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

Véase 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 , pág. 17. 
3. Esta serie converge para | x | < 1, por la prueba de Abel (aplicada a la serie para log(1 −  x )).