【１】√２の近似値とペル数列

　√２は２つの整数の比ｐ／ｑではないので，√２＝ｐ／ｑすなわちｐ^2＝２ｑ^2になるような２つの整数ｐ，ｑを見つけることはできません．しかし，誤差±１を許すことにすると

　　２ｑ^2＝ｐ^2±１　　（ペル方程式）

なる２つの整数ｐ，ｑを見つけることができます．

　ところで，ａn＝２ａn-1＋ａn-2という漸化式で生成される数列

　　１，２，５，１２，２９，７０，１６９，４０８，・・・

はペル数列と呼ばれます．これにはおもしろい性質があって，

　　１^2＋１^2＝１^2＋１

　　２^2＋２^2＝３^2−１

　　５^2＋５^2＝７^2＋１

　　１２^2＋１２^2＝１７^2−１

　　・・・・・・・・・・・・・

このとき，±１は交互に繰り返し現れます．

　√２の最良近似値は1/1,3/2,7/5,17/12,41/29,･･･です．このような分数を全部求めるには１／１から出発して１＋１＝２が次の分母になり，１＋２＝３が次の分子になる，３＋２＝５が第３の分母，２＋５＝７が第３の分子になる，すなわち，１つ前の分数の分子と分母の和が次の分母になり，ひとつ前の分数の分母を２倍したものとその分子の和が次の分子になり，同様に続いていくという算術的な規則があります．

　　1/1↓　↑3/2↓　↑7/5↓　↑17/12↓　↑41/29↓　・・・

　すなわち，ペル方程式：ｐ^2−２ｑ^2＝±１を満たすｐ／ｑがひとつの分数で，Ｐ／Ｑが次の分数だとすると

　　Ｑ＝ｐ＋ｑ，Ｐ＝ｑ＋Ｑ＝ｐ＋２ｑ

　　Ｐ^2−２Ｑ^2＝２ｑ^2−ｐ^2＝±１

となって，Ｐ／ＱもまたＰ^2−２Ｑ^2＝±１となる分数を与えることができることになります．１／１から始まって次々に解となる分数を見つけることができるというわけです．

　　ｐ／ｑ→Ｐ／Ｑ＝（ｐ＋２ｑ）／（ｐ＋ｑ）

（−１）　1/1＜7/5＜41/29＜239/169＜・・・＜√２＜・・・＜577/408＜99/70＜17/12＜3/2　（＋１）

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【２】連分数

　ｍを平方数でない自然数とすると，いわゆるペル方程式とは

　　ｘ^2−ｍｙ^2＝±１（あるいは±４）

で表されるものです．

　平方根を無限連分数に表す手順はわかりやすく，たとえば，１＜√２＜２であるから

　　√２＝１＋（√２−１）

　　　　＝１＋１／（√２＋１）　　　　２＜√２＋１＜３

　　　　＝１＋１／｛２＋（√２−１）｝

　　　　＝１＋１／｛２＋１／（√２＋１）｝

　　　　＝１＋１／｛２＋１／（２＋（√２−１）｝

　　　　＝１＋１／｛２＋１／（２＋１／（√２＋１）｝

　　　　＝１＋１／｛２＋１／｛２＋１／｛２＋１／｛２＋・・・

の手順を何度も繰り返すことにより，

　　√２＝［１：２，２，２，２，・・・］

ができあがります．

　ｍが小さいときは比較的簡単に求まりましたが，ペル方程式の自然数解を求めることはそれほどやさしくはありません．Ｑ（√１９９）を考えてみると，１９９＝３（ｍｏｄ４）の素数ですが，

　　ｘ^2−１９９ｙ^2＝±１

の最小解は

　　（１６２６６１９６５２０，１１５３０８００９９）

にもなってしまいます．

　この解を求めるには√１９９の連分数展開

　　√１９９＝［１４；９，２，１，２，２，５，４，１，１，１３，１，１，４，５，２，２，１，２，９，２８，・・・］

を用います．９〜２８は循環節（周期２０）です．

　冒頭で述べたことを標準連分数の場合に書き換えますと，

　　α＝［ｑ1，・・・，ｑn］＝Ｐn／Ｑn

　　Ｐ0＝１，Ｐ1＝ｑ1，Ｐn＝ｑnＰn-1＋Ｐn-2

　　Ｑ0＝０，Ｑ1＝１ ，Ｑn＝ｑnＱn-1＋Ｑn-2　　　(n=2,3,･･･)

で

　　ＰnＱn-1−Ｐn-1Ｑn＝（−１）^n　　　(n=1,2,･･･)

　　ＰnＱn-2−Ｐn-2Ｑn＝（−１）^n-1ｑn　　　(n=2,3,･･･)

が成り立ちます．

　また，

　　α＝［ｑ1，・・・，ｑn-1，ｑn，ｑn+1，・・・］

の部分列［ｑn，ｑn+1，・・・］に対して

　　αn＝［ｑn，ｑn+1，・・・］

なる実数αnを定めると

　　α＝［ｑ1，・・・，ｑn-1，αn］

　　　＝（αnＰn-1＋Ｐn-2）／（αnＱn-1＋Ｑn-2）

が証明されます．

　これに循環連分数になるという性質が加わって，ペル方程式の解が得られるのですが，

　　√ｍ＝［ｑ1，ｑ2，・・・，ｑn，２ｑ1］　　　（周期ｎ）

　　αn+1＝［２ｑ1，ｑ2，・・・］＝√ｍ＋ｑ1

より

　　√ｍ＝（（√ｍ＋ｑ1）Ｐn＋Ｐn-1）／（（√ｍ＋ｑ1）Ｑn＋Ｑn-1）

　ここで，

　　ＰnＱn-1−Ｐn-1Ｑn＝（−１）^n　　　(n=1,2,･･･)

より，

　　Ｐn^2−ｍＱn^2＝（−１）^n

となり，ペル方程式の解（Ｐn，Ｑn）が得られます．

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【３】最良近似の証明

（Ｑ）分母が≦Ｑnなるすべての分数のうちで，実数αの近似分数δn＝Ｐn／Ｑnはαを最もよく近似することを証明せよ．

（Ａ）分数ｋ／とｍ／ｎの差は≧１／ｌｎであることに注意．δn＜δn-1の場合のみ取り上げるが，ａ／ｂはδnに等しくなく，かつ，０＜ｂ≦Ｑnを満足する既約分数であるとする．

　　δn＜ａ／ｂ＜δn-1

とはならないことを証明する．もしそうなっていたとすれば

　　ａ／ｂ−δn≧１／ｂＱn，δn-1−ａ／ｂ≦１／ｂＱn-1

したがって，δn-1−δn＞１／ＱnＱn-1となって，矛盾が生じる．

　ゆえに，ａ／ｂ＜δnまたはδn-1≦ａ／ｂで，いずれにしてもδnのほうがａ／ｂよりもαに近いことになる．

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