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输入计算

数学公式

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结果

连分数的值 f
3.1415926535898
末阶渐近值 f_n(n = 项数)
n 渐近值 f_n
0 4.0
1 3.0
2 3.1666666666667
3 3.1372549019608
4 3.1423423423423
5 3.1414634146341
6 3.1416149068323
7 3.1415888250921
8 3.1415933118799
9 3.1415925404465
10 3.1415926730303
11 3.1415926502502
12 3.1415926541634
13 3.1415926534913
14 3.1415926536067
15 3.1415926535869
16 3.1415926535903
17 3.1415926535897
18 3.1415926535898
19 3.1415926535898
20 3.1415926535898

这个计算器能做什么

本工具用于计算形如 \(f = a_0/(b_0 + a_1/(b_1 + a_2/(b_2 + \dots)))\) 的广义(解析)连分数,并逐阶列出渐近值 \(f_0\)、\(f_1\)、\(f_2\) …… 直到你指定的项数为止。其中分子 \(a_n\) 与分母 \(b_n\) 都按照项序号 \(n\) 的代数表达式输入,因此可以轻松重现许多经典展开式:π、\(1/(e-1)\)、根号二的自然对数、根号二,以及无数其他常数。它是一款纯数学工具,不涉及任何单位或国家/地区限制。

使用方法

将首项分子 \(a_0\) 与首项分母 \(b_0\) 以数字形式填入。第 \(n\) 项分子 \(a_n\) 与第 \(n\) 项分母 \(b_n\) 则填写关于变量 \(n\) 的表达式——例如 "n^2"、"n+1"、"-n^2"、"3(2n+1)" 或 "2"。支持紧贴 \(n\) 的隐式乘法,也支持 + - * / ^、括号、一元负号,以及 sqrt、exp、ln、sin、cos 等函数。再选择要计算的项数(1 至 1000)以及结果显示的小数位数。页面上方的大号数字即为最后一阶渐近值,下方表格则展示数值如何逐步收敛稳定。

公式解析

为计算第 \(n\) 阶渐近值 \(f_n\),计算器从保留的最内层项开始,由内向外逐层推进。先令尾项 \(t = 0\),然后对 \(k = n, n-1, \dots, 1\) 依次更新 \(t = a_k / (b_k + t)\),最后得到 \(f_n = a_0 / (b_0 + t)\)。这种自底向上的算法在数值上更为稳健;一旦某个分母恰好为零,程序会自动替换一个极小的 epsilon(这是改进版 Lentz 算法的保护措施)。

Recurrence diagram showing numerator and denominator A_n and B_n built from previous terms
Convergents are computed by the recurrence \(A_n = b_n A_{n-1} + a_n A_{n-2}\) (and likewise for \(B_n\)).
Nested fraction structure of a generalized continued fraction with terms a0, b0, a1, b1, a2, b2
The nested structure of a generalized continued fraction: each level adds a new \(a_n\) over \(b_n\).

实例演练:π 的展开式

取 \(a_0 = 4\)、\(b_0 = 1\)、\(a_n = n^2\)、\(b_n = 2n+1\),计算 6 项,即可得到著名的 π 连分数展开。在 \(n = 6\) 时自底向上计算:\(t\) 从 0 开始;\(k=6\) 得 $$36/13 = 2.769231$$ \(k=5\) 得 $$25/13.769231 = 1.815651$$ \(k=4\) 得 \(1.479323\);\(k=3\) 得 \(1.061407\);\(k=2\) 得 \(0.659912\);\(k=1\) 得 \(0.273156\)。于是 $$f_6 = 4/(1 + 0.273156) = 3.141962$$ 已经相当接近 \(\pi = 3.141593\)。增加项数即可进一步逼近真值。

Sequence of convergents approaching the value pi on a number line
Successive convergents \(f_n\) oscillate and close in on the true value (here pi).

常见问题

为什么结果与常数不完全相等?每一阶渐近值都只是截断后的近似值。项数越多越精确,不过受双精度浮点限制,有效数字大约只能到 15 位。

如果我的连分数发散怎么办?有些表达式会振荡或发散。借助渐近值表格,你可以观察其变化趋势,从而判断极限是否存在。

还能尝试哪些例子?\(1/(e-1)\):\(a_0=1\)、\(b_0=1\)、\(a_n=n+1\)、\(b_n=n+1\)。根号二:\(a_0=2\)、\(b_0=1\)、\(a_n=1\)、\(b_n=2\)。根号二的自然对数:\(a_0=1\)、\(b_0=3\)、\(a_n=-n^2\)、\(b_n=3(2n+1)\)。

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