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輸入計算

數學公式

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結果

連分數值 f_n
1.4142135623731
truncated at n = 50 terms
第 n 項 逐次漸近值 f_n
1 1.50000000000
2 1.40000000000
3 1.41666666667
4 1.41379310345
5 1.41428571429
6 1.41420118343
7 1.41421568627
8 1.41421319797
9 1.41421362489
10 1.41421355165
11 1.41421356421
12 1.41421356206
13 1.41421356243
14 1.41421356236
15 1.41421356237
16 1.41421356237
17 1.41421356237
18 1.41421356237
19 1.41421356237
20 1.41421356237
21 1.41421356237
22 1.41421356237
23 1.41421356237
24 1.41421356237
25 1.41421356237
26 1.41421356237
27 1.41421356237
28 1.41421356237
29 1.41421356237
30 1.41421356237

這個計算機的用途

本工具用來計算各項皆為常數的連分數,形式為 \(f = b_0 + \cfrac{a}{b + \cfrac{a}{b + \cfrac{a}{b + \cdots}}}\),其中每一層的分子都等於同一個值 \(a\)(即你輸入的 \(a_n\)),每一層的分母也都等於同一個值 \(b\)(即你輸入的 \(b_n\))。首項 \(b_0\) 則位於整段分數之外。這是一個純數學工具,在任何地方計算結果都相同。

使用方式

請輸入首項 \(b_0\)、常數分子 \(a_n\)、常數分母 \(b_n\),以及巢狀層數 \(n\)(最多 1000 層)。計算機會回傳截斷後的數值 \(f_n\),並列出前幾項的逐次漸近值 \(f_1\)、\(f_2\)、\(f_3\)……,讓你親眼看到它們如何逐漸收斂到極限值。

公式說明

數值採用在數值上較穩定的「由內而外」(bottom-up)反向遞迴計算。從最內層開始令 \(t = b\),接著讓 \(k\) 由 \(n\) 遞減到 2,每一步設 \(t = b + a/t\),最後得到 \(f_n = b_0 + a/t\)。至於逐次漸近值表格,則採用經典的 Wallis 遞迴:$$h_m = b \cdot h_{m-1} + a \cdot h_{m-2}$$ 與 $$k_m = b \cdot k_{m-1} + a \cdot k_{m-2}$$,再由 \(f_m = h_m/k_m\) 求得。當連分數收斂時,其極限值等於 $$b_0 + \frac{-b + \sqrt{b^2 + 4a}}{2}.$$

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巢狀分數圖,展示分子 a 與分母 b 不斷重複的常數連分數
分子 a、分母 b 均為常數的連分數結構。

實際範例

取 \(b_0 = 1\)、\(a_n = 1\)、\(b_n = 2\)、\(n = 10\)。反向遞迴的過程為 \(t = 2 \to 2.5 \to 2.4 \to 2.41667 \to \cdots \to 2.41421\),於是 \(f_{10} = 1 + 1/t \approx 1.41421356\),正好是 2 的平方根。換句話說,$$1 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{2 + \cdots}} = \sqrt{2}.$$

折線圖,展示連分數的逐次漸近分數振盪並收斂於一個極限值
逐次漸近分數在趨近極限時交替地位於上方和下方。

常見問題

如果不收斂怎麼辦?若中間某一層的分母恰好變成 0,或 \(b^2 + 4a < 0\),數值可能無法定義或不斷震盪;此時計算機會顯示「未定義」。

為什麼 a_n 和 b_n 要取常數?許多著名常數都是這樣產生的:\(a=1\)、\(b=1\) 會得到黃金比例 \(1.6180339887\);\(a=1\)、\(b=2\) 則得到 \(\sqrt{2}\)。常數型的尾端會有一個簡單的二次方程式極限。

f_n 的精確度如何?對於常數項而言,收斂速度為幾何級數,因此通常只要數十項就能達到雙精度浮點數的完整精度。

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