强狄里克雷逼近定理的证明

题:如果α是实数,n是正整数,则存在a和b使得1≤a≤n且 |aα - b| ≤ 1/(n + 1).(摘自初等数论及其应用第六版)


证:考虑n + 1个数

S = {0, {α}, {2α}, ..., {jα}, ..., {nα} }

以及n + 1个区间

T = {[0, 1/(n + 1), [1/(n + 1), 2/(n + 1)), ..., [n/(n + 1), 1)}

 

∵ 对任一实数x, {x} ∈ [0, 1)

∴ ∀x∈S → ∃y∈T(x ∈ y)

 

若 {kα} ∈ S  Λ {kα} ∈ [n/(n + 1), 1)

则 |{kα} - 1| = |kα - [kα] - 1| = |kα - ([kα] + 1)| ≤ 1/(n + 1) , 得证

 

不然 |S| = n + 1 落在 |T'| = |{[0, 1/(n + 1), [1/(n + 1), 2/(n + 1)), ..., [(n - 1)/(n + 1), n/(n + 1))} = n

∴ 根据鸽巢原理S中必有二个元素在同一区间中,设为k, j,且 0 ≤ k < j ≤ n

\left | \left \{ j\alpha \right \} - \left \{ k\alpha \right \} \right | = |j\alpha - \left [ j\alpha \right ] - k\alpha + \left [ k\alpha \right ]| = \left | \left ( j - k \right ) \right \alpha - \left ( \left [ j\alpha\right ] \right - \left [ k\alpha\right ])| \leqslant  \frac{1}{n + 1}

∴综上,命题得证

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