Matemáticas - Fracciones

Fracciones continuas

Desarrollo usando fracciones continuas

Un sistema de gran utilidad es el de los número reales, que surgió para responder, básicamente, el asunto de las medidas. pero la dificultad que surgión con la ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ al darse cuenta de que no era un número racional buscaron métodos de aproximación y uno de ellos es a través de fracciones continuas que cayó en desuso, al impulsarse la enseñanza de la Matemática moderna. Pero por el uso de las computadoras y su carácter algorítmico, motiva su estudio.

Presentamos diferentes aproximaciones: 1, 1.41, 1.41, 1.4142, y así sucesivammente ( no termina),son aproximaciones al número cuyo cuadrado es 2.. Por ejemplo, uno de los convergentes de p es 22/7 -debido a Arquímedes-, la aproximación familiar, y ninguna fracción con denominador menor que 7 es una mejor aproximación. Y otra es la de la fracción 355/113.

Es evidente de la forma del desarrollo como fracción continua que si x es la fracción continua ${\displaystyle (a_{1},a_{2},...)\,}$ entonces ${\displaystyle a_{1}}$ es la parte entera de x; esto es, el máximo entero no mayor que x.

Secuencia sugerente

Veamos con atención el caso de ${\displaystyle {\frac {61}{27}}=2+{\frac {7}{27}}=2+{\frac {1}{\frac {27}{7}}}=2+{\frac {1}{3+{\frac {6}{7}}}}=2+{\frac {1}{3+{\frac {1}{\frac {7}{6}}}}}=2+{\frac {1}{3+{\frac {1}{1+{\frac {1}{6}}}}}}}$

La expresión ${\displaystyle a_{0}+{\frac {1}{a_{1}+{\frac {1}{a_{2}+...a_{s-1}+{\frac {1}{a_{s}}}}}}}}$

donde ${\displaystyle a_{1},a_{2},...,a_{s}}$ son números naturales, ${\displaystyle a_{0}}$ es un número natural o cero, que se denomina fracción continua.

Los números ${\displaystyle a_{0},a_{1},a_{2},...,a_{s}}$ se denominan elementos de una fracción continua. Se puede decir que hemos desarrollado el número ${\displaystyle {\frac {61}{27}}}$ en fracción continua.

Ahora ilustraremos el método de desarrollo, mediante el siguiente.

Ejemplo

Encuentre el desarrollo de 573/227 como fracción continua. Ahora, ${\displaystyle 573/227=2+1/x_{2}}$, donde ${\displaystyle x_{2}=227/119=1+1/x_{3}}$, donde ${\displaystyle x_{3}=119/108=1+1/x_{4}}$, donde ${\displaystyle x_{4}=108/11=9+1/x_{5}}$, donde ${\displaystyle x_{5}=11/9=1+1/x_{6}}$, donde ${\displaystyle x_{6}=9/2=4+1/2}$.

Casos históricos

• El número de Arquímedes (22/7).
• El problema matemático del calendario: Juliano vs. Gregoriano.
• El año de los Mayas: mejor aproximación.
• La sucesión de Figonacci y sus diferentes variantes está vinculado al tema de las fracciones continuas.

desarrollos de las fracciones continuas .- ........................:http://www.ual.es/eventos/OMERSMEALMERIA/aplicada/Fracciones_continuas.pdf

desarrollos de las fracciones continuas .- ..........................:https://www.unizar.es/ttm/2012-13/FRACCIONES_CONTINUAS.pdf

Fracción continua de Euler

 fracción continua de Euler es una identidad que conecta una clase general de series infinitas con una fracción continua infinita. Publicada por primera vez en 1748, fue considerada en un principio como una identidad simple que conectaba una suma de términos finitos con una fracción continua finita, donde la extensión al caso infinito aparecía inmediatamente.¹Actualmente, es una muy apreciada y útil herramienta en desarrollos analíticos en el problema de la convergencia general para fracciones continuas infinitas con elementos complejos.

Formulación original

Leonhard Euler obtuvo la fórmula como una identidad que conecta una suma finita de productos con una fracción continua finita como:

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

La identidad puede ser fácilmente obtenida mediante inducción en n, y por lo tanto, también aplicable en el caso límite: si la expresión de la parte izquierda tiende a expresarse como una serie convergente infinita, la expresión de la derecha también tenderá a expresarse como una fracción continua infinita convergente.

Notación moderna

Si

${\displaystyle x={\cfrac {1}{1+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{\ddots }}}}}}}}\,}$

es una fracción continua con elementos complejos, y ninguno de los denominadores B_i son cero, una secuencia de ratios {r_i} puede ser definida por:

${\displaystyle r_{i}=-{\frac {a_{i+1}B_{i-1}}{B_{i+1}}}.\,}$

Para un x y un r_i así definidos, las siguientes igualdades pueden demostrarse por inducción.

${\displaystyle x={\cfrac {1}{1+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{\ddots }}}}}}}}={\cfrac {1}{1-{\cfrac {r_{1}}{1+r_{1}-{\cfrac {r_{2}}{1+r_{2}-{\cfrac {r_{3}}{\ddots }}}}}}}}\,}$

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

Esta igualdad se puede entender como una equivalencia, en el sentido de que la n-esimo término convergente de cada fracción continua es igual a la n-ésima suma parcial de la serie mostrada arriba. Así, si esa serie es convergente o uniformemente convergente, cuando los a_i y b_ison funciones de variable compleja z, entonces las fracciones continuas equivalentes también convergen, o convergen uniformemente.

fracción continua generalizada o fracción fractal es una generalización de una fracción continua en la cual los numeradores parciales y los denominadores parciales pueden tomar cualesquiera valores reales o complejos.¹

Una fracción continua generalizada es una expresión de la forma:

${\displaystyle x=b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{b_{4}+\ddots \,}}}}}}}}}$

donde los a_n (n > 0) son los numeradores parciales, los b_n son los denominadores parciales y el término principal b₀ es el llamado parte entera de la fracción continua.

Las convergentes sucesivas de la fracción continua se forma aplicando las fórmulas fundamentales de recurrencia:

${\displaystyle x_{0}={\frac {A_{0}}{B_{0}}}=b_{0},\qquad x_{1}={\frac {A_{1}}{B_{1}}}={\frac {b_{1}b_{0}+a_{1}}{b_{1}}},\qquad x_{2}={\frac {A_{2}}{B_{2}}}={\frac {b_{2}(b_{1}b_{0}+a_{1})+a_{2}b_{0}}{b_{2}b_{1}+a_{2}}},\qquad \cdots \,}$

donde A_n es el numerador y B_n es el denominador (también llamado continuante ^2 3 ) del n-ésimo convergente.

Si la sucesión de convergentes {x_n} tiene límite, la fracción continua es convergente y tiene un valor definido. Si la sucesión de convergentes no tiene límite, la fracción continua es divergente. La divergencia puede darse por oscilación (por ejemplo, los convergentes pares e impares pueden tender a distinto límite) o por tendencia a infinito o denominadores B_n iguales a cero.

Historia de las fracciones continuas

La historia de las fracciones continuas comienza con el Algoritmo de Euclides,⁴ un procedimiento para encontrar el máximo común divisor de dos números naturales m y n. Ese algoritmo introdujo la idea de dividir para extraer un nuevo resto y entonces dividir por el nuevo resto de nuevo y así, sucesivamente.

Cerca de dos mil años después, Rafael Bombelli⁵ encontró una técnica para la aproximación de las raíces de ecuaciones cuadráticas con fracciones continuas. A partir de ahí, el ritmo de desarrollo se aceleró. Justo 24 años después Pietro Cataldi presentó la primera notación formal⁶ para la fracción continua generalizada. Cataldi representaba una fracción continua como

${\displaystyle a_{0}.\!\!\And \!\!{n_{1} \over {d_{1}.}}\!\!\And \!\!{n_{2} \over {d_{2}.}}\!\!\And \!\!{n_{3} \over d_{3}},}$

donde los puntos indicaban dónde iría la siguiente fracción y cada & representa al actual signo «más».

Más tarde, en el siglo XVII John Wallis⁷ introdujo el término "fracción continua" en la literatura matemática. Nuevas técnicas de análisis mátematico habían sido presentadas por Newton y Leibniz y una generación de contemporáneos de Wallis se pusieron a usar el término inmediatamente.

En 1748 Euler publicó un teorema muy importante mostrando que un tipo particular de fracción continua es equivalente a cierta serie infinita muy general.⁸ El teorema de fracciones continuas de Euler tiene todavía una importancia crucial en los intentos actuales de reducción en el problema de convergencia.

Las fracciones continuas pueden aplicarse también a problemas de la teoría de números y son especialmente útiles en el estudio de ecuaciones diofánticas. A finales del siglo XVIII Lagrange usó fracciones continuas para construir la solución general de la ecuación de Pell, dando así respuesta a una cuestión que había fascinado a los matemáticos durante más de mil años.⁹ Sorprendentemente, el descubrimiento de Lagrange implicaba que la expansión de raíz cuadrada de la fracción continua canónica de cualquier entero no cuadrado perfecto es periódica y así, si el periodo es de longitud p > 1, contiene una sucesión palindrómica de longitud p - 1.

En 1813 Gauss usó un ingenioso truco con la función hipergeométrica compleja para derivar una expresión en forma de fracción continua que ha sido denominada en su honor.¹⁰ Esa fórmula puede usarse para expresar muchas funciones elementales (e incluso más funciones avanzadas, como las funciones de Bessel como fracciones continuas rápidamente convergentes válidas casi siempre en el plano complejo.

Notación

La gran expresión de fracción continua mostrada en la introducción es, probablemente, la forma más intuitiva de fracción continua para el lector. Desafortunadamente, ocupa un montón de espacio en un libro (y tampoco es fácil su escritura). Así que los matemáticos han encontrado algunas notaciones alternativas. Una forma apropiada de expresar una fracción continua generalizada tiene el siguiente aspecto:

${\displaystyle x=b_{0}+{\frac {a_{1}}{b_{1}+}}\,{\frac {a_{2}}{b_{2}+}}\,{\frac {a_{3}}{b_{3}+}}\cdots }$

Pringsheim escribió una fracción continua generalizada del siguiente modo:

${\displaystyle x=b_{0}+{\frac {a_{1}\mid }{\mid b_{1}}}+{\frac {a_{2}\mid }{\mid b_{2}}}+{\frac {a_{3}\mid }{\mid b_{3}}}+\cdots \,}$.

Karl Friedrich Gauss evocaba el más familiar producto infinito Π cuando ideó esta notación:

${\displaystyle x=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}.\,}$

Aquí K significa Kettenbrüche, la palabra alemana para "fracción continua". Esta es probablemente la forma más compacta y conveniente para expresar fracciones continuas.

Algunas consideraciones elementales

Aquí se muestran algunos resultados elementales que son de importancia fundamental en el posterior desarrollo de la teoría analítica de fracciones continuas.

Numeradores y denominadores parciales

Si uno de los numeradores parciales a_n+1 es cero, la fracción continua infinita

${\displaystyle b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,}$

es, precisamente, una fracción continua finita con n términos fraccionarios y, por consiguiente, una función racional del primer n a_is y el primer (n + 1) b_is. Tal objeto es de poco interés desde el punto de vista adoptado en el análisis matemático, así que habitualmente se asume que ninguno de los a_i = 0. No hay necesidad de aplicar esta restricción a los denominadores parciales b_i.

La fórmula determinante

Cuando el n-ésimo convergente de una fracción continua

${\displaystyle x_{n}=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,}$

se expresa como una fracción simple x_n = A_n/B_n podemos usar la fórmula determinante

${\displaystyle A_{n-1}B_{n}-A_{n}B_{n-1}=(-1)^{n}a_{1}a_{2}\cdots a_{n}=\Pi _{i=1}^{n}(-a_{i})\,}$

para relacionar los numeradores y denominadores de los convergentes sucesivos x_n and x_n-1 entre sí. Específicamente, si ni B_n ni B_n-1 son cero, podemos expresar la diferencia entre el n-primero y el n-ésimo (n > 0) convergente como sigue:

${\displaystyle x_{n-1}-x_{n}={\frac {A_{n-1}}{B_{n-1}}}-{\frac {A_{n}}{B_{n}}}=(-1)^{n}{\frac {a_{1}a_{2}\cdots a_{n}}{B_{n}B_{n-1}}}={\frac {\Pi _{i=1}^{n}(-a_{i})}{B_{n}B_{n-1}}}.\,}$

La transformación de equivalencia

Si {c_i} = {c₁, c₂, c₃, ...} es cualquier sucesión infinita de números complejos no nulos, puede probarse por inducción que

${\displaystyle b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+{\cfrac {a_{3}}{b_{3}+{\cfrac {a_{4}}{\ddots \,}}}}}}}}=b_{0}+{\cfrac {c_{1}a_{1}}{c_{1}b_{1}+{\cfrac {c_{1}c_{2}a_{2}}{c_{2}b_{2}+{\cfrac {c_{2}c_{3}a_{3}}{c_{3}b_{3}+{\cfrac {c_{3}c_{4}a_{4}}{\ddots \,}}}}}}}}}$

donde la igualdad se entiende como una equivalencia, es decir, que los convergentes sucesivos de la fracción continua de la izquierda son, exactamente, los mismos que los convergentes de la fracción de la derecha.

La transformación de equivalencia es perfectamente general, pero dos casos particulares merecen una mención especial. En primer lugar, si uno de los a_i es cero, se puede elegir una sucesión {c_i} para hacer 1 cada numerador parcial:

${\displaystyle b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {1}{c_{i}b_{i}}}\,}$

donde c₁ = 1/a₁, c₂ = a₁/a₂, c₃ = a₂/(a₁a₃) y, en general, c_n+1 = 1/(a_n+1c_n).

En segundo lugar, si uno de los denominadores parciales b_i es cero, podemos usar un procedimiento similar para elegir otra sucesión {d_i} que haga 1 cada denominador parcial:

${\displaystyle b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {d_{i}a_{i}}{1}}\,}$

donde d₁ = 1/b₁ y por otra parte d_n+1 = 1/(b_nb_n+1).

Estos dos casos especiales de transformaciones de equivalencia son enormemente útiles cuando se analiza el problema de convergencia general.

Conceptos de convergencia simple

Como ya se ha dicho, la fracción continua

${\displaystyle x=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,}$

converge si la sucesión de convergencia {x_n} tiende a un límite finito.

La noción de convergencia absoluta juega un papel central en la teoría de series infinitas. No existe una noción correspondiente en la teoría analítica de fracciones continuas, en otras palabras, los matemáticos no hablan de una fracción continua absolutamente convergente. A veces la noción de convergencia absoluta entra, no obstante, en la discusión, especialmente en el estudio de el problema de la convergencia. Por ejemplo, una fracción continua en concreto

${\displaystyle x={\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {1}{b_{i}}}\,}$

diverge por oscilación si la serie b₁ + b₂ + b₃ + ... es absolutamente convergente.¹¹

A veces los numeradores y denominadores parciales de una fracción continua se expresan como funciones de variable compleja z. Por ejemplo, una función relativamente simple¹² podría estar definida como

${\displaystyle f(z)={\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {1}{z}}.\,}$

Para una fracción continua como esta, la noción de convergencia uniforme surge de forma bastante natural. Una fracción continua de una o más variables complejas es uniformemente convergente en un entorno abierto Ω si los convergentes de la fracción convergen uniformemente en cada punto de Ω. O, dicho de otro modo, si para cada ε > 0 puede encontrarse un entero M tal que el valor absoluto de la diferencia

${\displaystyle f(z)-f_{n}(z)={\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}(z)}{b_{i}(z)}}-{\underset {i=1}{\overset {n}{K}}}{\frac {a_{i}(z)}{b_{i}(z)}}\,}$

es menor que ε para cada punto z en un entorno abierto Ω cuando n > M, la fracción continua definida por f(z) es uniformemente convergente en Ω. (Aquí f_n(z) denota el n-ésimo convergente de la fracción continua, evaluado en el punto z del interior de Ω, y f(z) es el valor de la fracción continua infinita en el punto z.)

Convergentes pares e impares

Es en ocasiones necesario separar una fracción continua en sus partes pares e impares. Por ejemplo, si la fracción continua diverge por oscilación entre dos puntos límite distintos p y q, entonces la sucesión {x₀, x₂, x₄, ...} debe converger a uno de estos y {x₁, x₃, x₅, ...} debe converger al otro. En tal situación puede ser conveniente expresar la fracción continua original como dos fracciones continuas diferentes, una de ellas convergiendo a p y la otra a q.

Las fórmulas para las partes pares e impares de una fracción continua pueden escribirse de forma más compacta si la fracción ya se ha transformado, de este modo todos sus denominadores parciales son uno. Específicamente, si

${\displaystyle x={\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{1}}\,}$

es una fracción continua, entonces la parte par x_even y la parte impar x_odd vienen dadas por

${\displaystyle x_{\mathrm {even} }={\cfrac {a_{1}}{1+a_{2}-{\cfrac {a_{2}a_{3}}{1+a_{3}+a_{4}-{\cfrac {a_{4}a_{5}}{1+a_{5}+a_{6}-{\cfrac {a_{6}a_{7}}{\ddots }}}}}}}}\,}$

y

${\displaystyle x_{\mathrm {odd} }=a_{1}-{\cfrac {a_{1}a_{2}}{1+a_{2}+a_{3}-{\cfrac {a_{3}a_{4}}{1+a_{4}+a_{5}-{\cfrac {a_{5}a_{6}}{1+a_{6}+a_{7}-{\cfrac {a_{7}a_{8}}{\ddots }}}}}}}}\,}$

respectivamente. Con más precisión, si los sucesivos convergentes de la fracción continua x son {x₁, x₂, x₃, ...}, entonces los sucesivos convergentes de x_even como se escribían más arriba son {x₂, x₄, x₆, ...} y los convergentes sucesivos de x_odd son {x₁, x₃, x₅, ...}.¹³

Condiciones para la irracionalidad

Si ${\displaystyle a_{1},a_{2},{\text{ . . .}}}$ y ${\displaystyle b_{1},b_{2},{\text{ . . .}}}$ son enteros positivos con ${\displaystyle a_{k}}$ ≤ ${\displaystyle b_{k}}$ para todo ${\displaystyle k}$ suficientemente grande, entonces

${\displaystyle x=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {\infty }{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,}$

converge a un límite irracional.¹⁴

Transformaciones fraccionarias lineales

Una transformación fraccionaria lineal (TFL) es una función compleja de la forma

${\displaystyle w=f(z)={\frac {a+bz}{c+dz}},\,}$

donde z es una variable compleja y a, b, c, d son constantes complejas arbitrarias. Suele imponerse una restricción adicional – que ad ≠ bc –, para dejar fuera los casos en los cuales w = f(z) es una constante. La transformación fraccionaria lineal, también conocida como transformación de Möbius, tiene muchas propiedades fascinantes. Cuatro de ellas son de importancia primordial en el desarrollo de la teoría analítica de fracciones continuas.

• Si d ≠ 0, la TFL tiene uno o dos puntos fijos. Esto puede verse si se considera la ecuación

${\displaystyle f(z)=z\Rightarrow dz^{2}+cz=a+bz\,}$

que es claramente una ecuación cuadrática en z. Las raíces de esta ecuación son puntos fijos de f(z). Si el discriminante (c − b)² + 4ad es cero, la TFL da lugar a un punto fijo; en otro caso, tiene dos puntos fijos.

• Si ad ≠ bc, la TFL es una biyección del plano complejo extendido en sí mismo . En otras palabras esta TFL tiene función inversa

${\displaystyle z=g(w)={\frac {-a+cw}{b-dw}}\,}$

tal que f(g(z)) = g(f(z)) = z para todo punto z en el plano complejo extendido y ambos, f y g preservan ángulos y formas a escalas muy pequeñas. Desde la formulación z = g(w) se comprueba que g es también una TFL.

• La composición de dos TFL diferentes para las cuales ad ≠ bc es también una TFL para la cual ad ≠ bc. En otras palabras, el conjunto de todas las TFL para las cuales ad ≠ bc es cerrado para la composición de funciones. El conjunto de tales TFL – juntas con la operación como grupo de composición - se conoce como un grupo automórfico del plano complejo extendido.

• Si b = 0 la TFL se reduce a

${\displaystyle w=f(z)={\frac {a}{c+dz}},\,}$

lo cual es una función mermórfica muy simple de z con un polo simple (at −c/d) y un resto igual a a/d. (Véase también Serie de Laurent).

La fracción continua como una composición de TFL

Considérese una sucesión de transformaciones fraccionarias lineales simples

${\displaystyle \tau _{0}(z)=b_{0}+z,\quad \tau _{1}(z)={\frac {a_{1}}{b_{1}+z}},\quad \tau _{2}(z)={\frac {a_{2}}{b_{2}+z}},\quad \tau _{3}(z)={\frac {a_{3}}{b_{3}+z}},\quad \cdots \,}$

Aquí se usa la letra griega τ (tau) para representar cada TFL simple y se adopta la notación habitual para la composicción de funciones. También se introduce un nuevo símbolo Τ_n para representar la composición de n+1 - τ, es decir,

${\displaystyle {\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {1}}(z)=\tau _{0}\circ \tau _{1}(z)=\tau _{0}(\tau _{1}(z)),\quad {\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {2}}(z)=\tau _{0}\circ \tau _{1}\circ \tau _{2}(z)=\tau _{0}(\tau _{1}(\tau _{2}(z))),\,}$

y así, sucesivamente. Por substitución directa desde el primer conjunto de expreseiones en el segundo, se ve que

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {1}}(z)&=\tau _{0}\circ \tau _{1}(z)&=&\quad b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+z}}\\{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {2}}(z)&=\tau _{0}\circ \tau _{1}\circ \tau _{2}(z)&=&\quad b_{0}+{\cfrac {a_{1}}{b_{1}+{\cfrac {a_{2}}{b_{2}+z}}}}\,\end{aligned}}}$

y, en general,

${\displaystyle {\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(z)=\tau _{0}\circ \tau _{1}\circ \tau _{2}\circ \cdots \circ \tau _{n}(z)=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}\,}$

donde el último denominador parcial en la fracción continua finita K se entiende que es b_n + z. Y, desde b_n + 0 = b_n, la imagen del punto z = 0 bajo la iteración de la TFL Τ_n es de hecho el valor de la fracción continua finita con n numeradores parciales:

${\displaystyle {\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(0)={\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n+1}}(\infty )=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}.\,}$

Una interpretación geométrica

La intuición no puede nunca reemplazar una prueba matemática. No obstante, es una útil herramienta que, a menudo, sugiere nuevas líneas de ataque que finalmente resuelven problemas inicialmente intratables. Si se define una fracción continua finita como la imagen de un punto bajo la iteración de una TFL Τ_n(z) se llega intuitivamente a una interpretación geométrica de la fracciones continuas infinitas. A continuación se puede ver cómo funciona.

La relación

${\displaystyle x_{n}=b_{0}+{\underset {i=1}{\overset {n}{K}}}{\frac {a_{i}}{b_{i}}}={\frac {A_{n}}{B_{n}}}={\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(0)={\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n+1}}(\infty )\,}$

es probablemente mejor comprendida mediante la reescritura de las TFL Τ_n(z) y Τ_n+1(z) en términos de fórmulas fundamentales de recurrencia:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(z)&={\frac {(b_{n}+z)A_{n-1}+a_{n}A_{n-2}}{(b_{n}+z)B_{n-1}+a_{n}B_{n-2}}}&{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(z)&={\frac {zA_{n-1}+A_{n}}{zB_{n-1}+B_{n}}};\\{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n+1}}(z)&={\frac {(b_{n+1}+z)A_{n}+a_{n+1}A_{n-1}}{(b_{n+1}+z)B_{n}+a_{n+1}B_{n-1}}}&{\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n+1}}(z)&={\frac {zA_{n}+A_{n+1}}{zB_{n}+B_{n+1}}}.\,\end{aligned}}}$

En la primera de estas ecuaciones la razón tiende a A_n/B_n así como z tiende a cero. En la segunda, la razón tiende a A_n/B_n como z tiende a infinito. Esto lleva a la primera interpretación geométrica. Si la fracción continua converge, los convergentes sucesivos A_n/B_n están eventualmente tan juntos como se desee. En virtud de que la transformación fraccionaria lineal Τ_n(z) es una transformación continua , debe haber un entorno de z = 0 que se transforma en un entorndo arbitrariamente pequeño de Τ_n(0) = A_n/B_n. De un modo similar, debe haber un entorno del punto en infinito que se transforma en un entorno arbitrariamente pequeño de Τ_n(∞) = A_n-1/B_n-1. Así, si la fracción continua converge la transformación Τ_n(z) convierten z muy pequeñas y z muy grandes en un entorno arbitrariamente pequeño de x, el valor de la fracción continua, cuando n se hace más y más grande.

¿Y qué ocurre con los valores intermedios de z? Bien, en virtud de que los sucesivos convergentes se hacen más cercanos entre sí, se tiene

${\displaystyle {\frac {A_{n-1}}{B_{n-1}}}\approx {\frac {A_{n}}{B_{n}}}\quad \Rightarrow \quad {\frac {A_{n-1}}{A_{n}}}\approx {\frac {B_{n-1}}{B_{n}}}=k\,}$

donde k es una constante, introducida por conveniencia. Pero entonces, sustituyendo en la expresión por Τ_n(z) se obtiene

${\displaystyle {\boldsymbol {\mathrm {T} }}_{\boldsymbol {n}}(z)={\frac {zA_{n-1}+A_{n}}{zB_{n-1}+B_{n}}}={\frac {A_{n}}{B_{n}}}\left({\frac {z{\frac {A_{n-1}}{A_{n}}}+1}{z{\frac {B_{n-1}}{B_{n}}}+1}}\right)\approx {\frac {A_{n}}{B_{n}}}\left({\frac {zk+1}{zk+1}}\right)={\frac {A_{n}}{B_{n}}}\,}$

así que incluso los valores intermedios de z (excepto cuando z ≈ −k⁻¹) se transforman en entornos arbitrariamente pequeños de x, el valor de la fracción continua, así como n se hace más y más grande. Intuitivamente es casi como si el convergente de la fracción continua transformara por completo el plano complejo extendido en un simple punto.¹⁵

Nótese que la sucesión {Τ_n} cae dentro del grupo de automorfismo del plano complejo extendido, en el momento en que cada Τ_n es una transformación lineal fraccionaria para la cual ab ≠ cd. Y cada miembro del grupo de automorfismo se aplica desde el plano complejo extendido en sí mismo – no uno de los Τ_n puede posiblemente aplicar el plano en un solo punto. Todavía en el límite de la sucesión {Τ_n} define una fracción continua infinita la cual (si converge) representa un solo punto en el plano complejo.

¿Cómo es esto posible? Piénsese del siguiente modo: cuando una fracción continua infinita converge, la sucesión correspondiente {Τ_n} de TFL se "enfoca" en el plano en la dirección de x, el valor de la fracción continua. En cada etapa del proceso una región más y más grande del plano se aplica en un entorno de x, y una región más y más pequeña del plano se va achicando hasta cubrir el borde de ese entorno.¹⁶

¿Y qué hay de las fracciones continuas divergentes? ¿Pueden también ser interpretadas geométricamente? En una palabra, sí. Se distinguen tres casos:

1. Las dos sucesiones {Τ_2n-1} y {Τ_2n} podrían definirse como dos fracciones continuas convergentes que tienen dos valores diferentes, x_odd y x_even. En este caso, la fracción continua definida por la sucesión {Τ_n} diverge por oscilación entre dos distintos puntos límite. Y de hecho esta idea puede generalizarse (pueden construirse sucesiones {Τ_n} que oscilan entre tres o cuatro o incluso cualquier número de puntos límite. Se llega a interesantes instancias de este caso cuando la sucesión {Τ_n} constituye un subgrupo de orden finico en el grupo de automorfismos sobre el plano complejo extendido.
2. La sucesión {Τ_n} puede producir un número infinito de denominadores cero B_i mientras que también produce una subsucesión de convergentes finitos. Estos convergentes finitos podrían no repetirse o caer en un patrón de oscilación reconocible. O podrían converger a un límite finito o incluso oscilar entre múltiples límites finitos. Sin importar como se comporten los convergentes finitos, la fracción definida por la sucesión {Τ_n} diverge por oscilación con el punto en infinito en este caso.¹⁷
3. La sucesión {Τ_n} podría producir no más de un número finito de denominadores cero B_i, mientras que la subsucesión de convergentes finitos baila ampliamente alrededor de el plano en un patrón que nunca se repite y nunca alcanza un límite finito tampoco.

Se pueden construir interesantes ejemplos de los casos 1 y 3 mediante el estudio de la fracción simple continua

${\displaystyle x=1+{\cfrac {z}{1+{\cfrac {z}{1+{\cfrac {z}{1+{\cfrac {z}{\ddots }}}}}}}}\,}$

donde z es cualquier número real tal que z < −¼.