數論的一個分支,以研究數的有理逼近問題為主。這裏所謂的數是指實數、複數、代數數或超越數。數的有理逼近問題,可表為求某種不等式的整數解問題。由於在整數範圍求解的方程稱為不定方程或丟番圖方程,因而把求不等式的整數解問題稱之為丟番圖逼近。

  1842年,P.G.L.狄利克雷首先證明瞭實數有理逼近的一個結果:如果α是任意實數,Q是大於1的實數,那麼存在整數對pq,滿足兩個不等式:1≤qQ和|αq-p|≤Q-1。由此可得,如果α是任意無理數,那麼存在無窮多對互素的整數對pq,滿足不等式|α-p/q|<q-2。當α是有理數時,上式不成立

  1891年,A.胡爾維茨將上式改進為

並指出,對於某些無理數,常數 是最佳值,不可再減小。但是對於很多無理數,常數 不是最佳值,還可再減小。1926年,A.Я.辛欽證明瞭:在勒貝格測度意義下對幾乎所有的實數 α,不等式| α- p/ q|< ψ( q)/ q的整數解 pq有無窮多對還是隻有有窮多對,由級數 是發散的還是收斂的而定,這裡 ψ( q)( q>0)是正的非增函數。此即所謂丟番圖逼近測度定理。例如,對幾乎所有的實數 α和任意的δ>0,不等式| α- p/ q|< q 隻有有窮多對整數解,而不等式| α- p/ q|< q -2( ln q) -1有無窮多對整數解。

  丟番圖逼近與連分數有密切聯系。一個數的連分數展開,往往就是具體構造有理逼近解的過程。例如,對於任意無理數α,有無窮多個漸近分數pn/qn,滿足不等式

  1844年,J.劉維爾開創瞭實代數數的有理逼近的研究,他證明瞭:如果α是次數為d的實代數數,那麼存在一個常數C(α)>0,對於每個不等於α的有理數p/q,有|α-p/q|>C(α)/qd。亦即如果μ>d,那麼不等式|α-p/q|<q-μ隻有有窮多個解p/q。根據這一結果,劉維爾構造出瞭歷史上的第一個超越數

。以後一些數學傢不斷改進指數 μ的值,直到得出 μd無關的結果。1909年,A.圖埃得到 μ>1+ d/2。1921年,C.L.西格爾得到 。1947年至1948年間,F.戴森和A.O.蓋爾豐德各自獨立證明瞭 。1955年,K.F.羅特得到瞭 μd無關的一個結論:如果 α是實代數數,其次數 d≥2,那麼對於任意的δ>0,不等式 隻有有窮多個解。這一結論又稱為圖埃-西格爾-羅特定理。

  對於一組數的有理逼近問題,稱之為聯立丟番圖逼近。狄利克雷關於聯立逼近有如下論斷:如果α1,…,αnn個實數,Q>1是整數,那麼存在一組整數qp1,…,pn滿足不等式組

  

進而,如果 α 1,…, α n中至少有一個無理數,那麼存在無窮多組解( p 1/ q,…, p n/ q),適合不等式組

  關於實代數數的聯立有理逼近,直到1970年才由W.M.施密特徹底解決。他證明瞭:如果α1,…,αn是實代數數,並且1,α1,…,αn在有理數域上線性無關,那麼對任意的δ>0,隻有有限多個正整數q使得

成立。式中記號‖ x‖表示 x與最近整數的距離。這一結果的一個等價表達方式:對於上述的實數 α 1,…, α n及任意的δ>0,隻有有限多組非零整數 q 1,…, q n適合

由此可知,聯立不等式

隻有有限多組解( p 1/ q,…, p n/ q),以及不等式

隻有有限多組整數解 pq 1,…, q n

  用代數數逼近代數數,也是丟番圖逼近的一類重要內容。W.M.施密特所著《丟番圖逼近》(1980)一書中,有詳細的論述。

  自20世紀以來,丟番圖逼近除自身的發展外,在超越數論、丟番圖方程等方面都有重要的應用。

  

參考書目

 J.W.S.Cassels,An Introduction to Diophantine ApproxiMation,Cambridge Univ.Press,Cambridge,1957.