3 Continued Fractions · 제3장 연분수
3.1 Finite continued fractions · 유한 연분수
이 책의 제15장에서 전개할 내용은 [1, Chapter 15]를 바탕으로 한다.
예를 들어 $\frac{61}{14}$는 $4 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{4}}}$로 나타낼 수 있다.
역주. 원문은 $\frac{61}{41} = 4 + \frac{5}{14}$로 적었으나 $61/41$은 오타이며, 옳은 좌변은 $\frac{61}{14}$이다.
We’ll be using [1, Chapter 15] as a base to build on in Chapter 15 of this book.
For example, $\frac{61}{14}$ can be expressed as $4 + \cfrac{1}{2 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{4}}}$.
1. 유한 연분수란 다음과 같은 형태의 분수를 말한다.
여기서 $a_0 \in \mathbb{R}$이고, $1 \le i \le n$인 모든 $i$에 대하여 $a_i \in \mathbb{R}_{\gt 0}$이다.
2. 모든 $a_i$가 정수이면 이 분수를 단순연분수라고 한다.
1. By a finite continued fraction is meant a fraction of the form
where $a_0 \in \mathbb{R}$ and $a_i \in \mathbb{R}_{\gt 0}$ for all $1 \le i \le n$.
2. Such a fraction is called simple if all of $a_i$ are integers.
임의의 유리수는 유한 단순연분수로 나타낼 수 있다.
위 정리 증명의 핵심은 유클리드 호제법이다.
$r$을 임의의 유리수 $\frac{a}{b}$ ($b \gt 0$)라 하자. 유클리드 호제법에 의하여 다음 식을 얻는다.
그러면 다음이 성립함을 안다.
위 결과로부터 다음 공식을 얻는다.
이로써 증명이 끝난다.
Any rational number can be written as a finite simple continued fraction.
The key point of proof of above theorem is the Euclid’s algorithm.
Let $r$ be an arbitrary rational number $\frac{a}{b}$ ($b \gt 0$). By Euclid’s algorithm, we have the equations
Then we know that
In above result, we can get the formula
Now we are done.
$\frac{19}{51}$을 단순연분수로 나타내 보자. 유클리드 호제법에 의하여 다음 식을 얻는다.
위 식을 이용하여 단순연분수를 만들면 다음을 얻는다.
Let us represent $\frac{19}{51}$ as a simple continued fraction. By Euclid’s algorithm, we have the equations
Making the simple continued fraction using above formula, it is seen that
기호 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$은 다음 유한 연분수를 나타낸다.
The symbol $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ denotes a finite continued fraction
예를 들어 $\frac{19}{51}$의 경우,
단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$은 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n - 1, 1\right]$과 같음에 유의하라.
For example, in the case of $\frac{19}{51}$,
Remark that a simple continued fraction $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ is same as $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n - 1, 1\right]$.
입력 : 유리수 $\frac{a}{b}$ ($b \gt 0$)
출력 : $\frac{a}{b}$와 같은 단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$
(a) $a = a_0 b + r_1$, $b = a_1 r_1 + r_2$라 하자.
(b) $r_i \neq 0$이면 $r_{i-1} = a_i r_i + r_{i+1}$이다.
(c) $r_{i-1} = 0$이면 이 알고리즘을 종료한다.
Input : $\frac{a}{b}$ a rational number ($b \gt 0$)
Output : $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ a simple continued fraction equal to $\frac{a}{b}$
(a) Let $a = a_0 b + r_1$, $b = a_1 r_1 + r_2$.
(b) If $r_i \neq 0$, then $r_{i-1} = a_i r_i + r_{i+1}$.
(c) If $r_{i-1} = 0$, then terminate this algorithm.
$\frac{172}{51}$, $\frac{71}{55}$ 각각을 단순연분수로 나타내라.
유클리드 호제법에 의하여 $\frac{172}{51}$에 대해 다음 식을 얻는다.
따라서 몫을 차례로 읽으면
이다. 같은 방법으로 $\frac{71}{55}$에 대하여는
을 얻으므로
이다.
Express each number as a simple continued fraction $\frac{172}{51}$, $\frac{71}{55}$.
By Euclid’s algorithm, for $\frac{172}{51}$ we get
Reading off the quotients,
In the same way, for $\frac{71}{55}$ we get
so
유클리드 호제법을 이용하여 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right] = \frac{118}{303}$을 구하라.
유클리드 호제법에 의하여 다음 식을 얻는다.
$\frac{118}{303} \lt 1$이므로 $a_0 = 0$이고, 나머지 몫을 차례로 읽으면
이다.
By Euclid’s algorithm, find $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right] = \frac{118}{303}$.
By Euclid’s algorithm, we get
Since $\frac{118}{303} \lt 1$, $a_0 = 0$, and reading off the remaining quotients,
다음 단순연분수가 나타내는 유리수를 구하라.
$\left[-2; 2, 4, 6, 8\right]$에서 $a_0=-2, a_1=2, a_2=4, a_3=6, a_4=8$이다. 정리 3.8의 점화식 $p_k = a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k = a_kq_{k-1}+q_{k-2}$ (단 $p_{-2}=0, q_{-2}=1, p_{-1}=1, q_{-1}=0$)를 적용하면
를 얻는다. 정리 3.8에 의해 $\left[-2; 2, 4, 6, 8\right] = C_4 = \frac{p_4}{q_4} = -\frac{710}{457}$이고, 따름정리 3.10에 의해 이는 이미 기약분수이다.
같은 방법으로 $\left[0; 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1\right]$에서는 $a_0=0, a_1=1, a_2=2, a_3=3, a_4=4, a_5=3, a_6=2, a_7=1$이므로
를 얻고, 따라서 $\left[0; 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1\right] = C_7 = \frac{p_7}{q_7} = \frac{321}{460}$이며, 이 역시 따름정리 3.10에 의해 기약분수이다.
Find the rational numbers represented by the following simple continued fractions,
For $\left[-2; 2, 4, 6, 8\right]$, $a_0=-2, a_1=2, a_2=4, a_3=6, a_4=8$. Applying the recursion $p_k = a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k = a_kq_{k-1}+q_{k-2}$ of Theorem 3.8 (with $p_{-2}=0, q_{-2}=1, p_{-1}=1, q_{-1}=0$),
By Theorem 3.8, $\left[-2; 2, 4, 6, 8\right] = C_4 = \frac{p_4}{q_4} = -\frac{710}{457}$, and by Corollary 3.10 this is already in lowest terms.
In the same way, for $\left[0; 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1\right]$ we have $a_0=0, a_1=1, a_2=2, a_3=3, a_4=4, a_5=3, a_6=2, a_7=1$, so
so $\left[0; 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1\right] = C_7 = \frac{p_7}{q_7} = \frac{321}{460}$, again in lowest terms by Corollary 3.10.
$1 \le k \le n$에 대하여, $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수는 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right]$이며, 이를 $C_k$로 나타낸다. 편의상 $C_0 = a_0$으로 둔다.
For $1 \le k \le n$, the $k$th convergent of $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ is $\left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right]$, denoted by $C_k$. For convenience, $C_0 = a_0$.
예를 들어 $\frac{19}{51} = \left[0; 2, 1, 2, 6\right]$일 때, 차례로 근사분수를 구하면 다음과 같다.
$C_k = \left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right]$이고 $C_{k+1} = \left[a_0; a_1, \cdots, a_k + \frac{1}{a_{k+1}}\right] = \left[a_0; a_1, \cdots, a_{k+1}\right]$임에 유의하라.
$C_k$의 값은 어떻게 계산할까? $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ ($0 \le k \lt n$)에 대하여 수 $p_k, q_k$를 다음과 같이 정의하자.
직접 계산해 보면 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 처음 몇 근사분수는 다음과 같다.
편의상 $p_{-2} = 0, q_{-2} = 1, p_{-1} = 1, q_{-1} = 0$으로 정의하자. 그러면 모든 $k \ge 0$에 대하여 $p_k = a_kp_{k-1} + p_{k-2}, q_k = a_kq_{k-1} + q_{k-2}$이다.
For example, $\frac{19}{51} = \left[0; 2, 1, 2, 6\right]$, the successive convergents are
Remark that $C_k = \left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right]$ and $C_{k+1} = \left[a_0; a_1, \cdots, a_k + \frac{1}{a_{k+1}}\right] = \left[a_0; a_1, \cdots, a_{k+1}\right]$.
How to compute the value of $C_k$? Define the number $p_k, q_k$ for $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ ($0 \le k \lt n$),
A direct computation shows that the first few convergents of $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ are
For convenience, define $p_{-2} = 0, q_{-2} = 1, p_{-1} = 1, q_{-1} = 0$. Then $p_k = a_kp_{k-1} + p_{k-2}, q_k = a_kq_{k-1} + q_{k-2}$ for all $k \ge 0$.
단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수는 다음 값을 갖는다.
$k = 0, 1, 2$일 때는 성립한다. $2 \le m \lt n$인 $m$에 대하여 $k = m$일 때 정리가 성립한다고 가정하자. 그러면 $C_m = \frac{p_m}{q_m} = \frac{a_mp_{m-1} + p_{m-2}}{a_mq_{m-1} + q_{m-2}}$이다. 그러면
The $k$th convergent of the simple continued fraction $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ has the value
It is true for $k = 0, 1, 2$. Assume that $k = m$ for $2 \le m \lt n$ theorem is true for $k = m$. Then $C_m = \frac{p_m}{q_m} = \frac{a_mp_{m-1} + p_{m-2}}{a_mq_{m-1} + q_{m-2}}$. Then
구체적인 예 $\frac{19}{51} = \left[0; 2, 1, 2, 6\right]$에서 이 방법이 어떻게 작동하는지 살펴보자.
이로부터 $[0; 2, 1, 2, 6]$의 근사분수는 다음과 같음을 알 수 있다.
Let us see how this works in a specific example, $\frac{19}{51} = \left[0; 2, 1, 2, 6\right]$
It says that the convergents of $[0; 2, 1, 2, 6]$ are
$C_k = \frac{p_k}{q_k}$가 유한 단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수이면, 다음이 성립한다.
역주. 원문에는 증명이 비어 있어 아래 증명은 직접 작성한 것이다.
$k$에 대한 수학적 귀납법으로 증명한다.
기초 단계. $k=1$일 때, $p_1 = a_1a_0+1, q_1=a_1, p_0=a_0, q_0=1$이므로
따라서 $k=1$일 때 성립한다.
귀납 단계. $1 \le k \lt n$인 $k$에 대하여 $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$이 성립한다고 가정하자. 점화식 $p_{k+1}=a_{k+1}p_k+p_{k-1}$, $q_{k+1}=a_{k+1}q_k+q_{k-1}$을 이용하면
이다. 따라서 $k+1$일 때도 성립한다. 수학적 귀납법에 의하여 $1 \le k \le n$인 모든 $k$에 대하여 $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$이다.
If $C_k = \frac{p_k}{q_k}$ is the $k$th convergent of the finite simple continued fraction $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$, then
Note. The notes leave this proof blank; the proof below is ours.
We prove this by induction on $k$.
Base case. For $k=1$, since $p_1 = a_1a_0+1, q_1=a_1, p_0=a_0, q_0=1$,
So the statement holds for $k=1$.
Inductive step. Suppose $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$ holds for some $k$ with $1 \le k \lt n$. Using the recursion $p_{k+1}=a_{k+1}p_k+p_{k-1}$, $q_{k+1}=a_{k+1}q_k+q_{k-1}$,
So the statement also holds for $k+1$. By induction, $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$ for all $1 \le k \le n$.
$1 \le k \le n$에 대하여 $p_k$와 $q_k$는 서로소이다.
$d \mid q_k$, $d \mid p_k$라 하자. $p_kq_{k-1} - q_kp_{k-1} = (-1)^{k-1}$임을 안다. 그러면 $d$가 좌변을 나눈다. 따라서 $d \mid (-1)^{k-1}$이다. 그러므로 $d = 1$이다. 이로써 증명이 끝난다.
For $1 \le k \le n$, $p_k$ and $q_k$ are relatively prime.
Assume that $d|q_k$, $d|p_k$. We know that $p_kq_{k-1} - q_kp_{k-1} = (-1)^{k-1}$. Then $d|L.H.S.$ So $d|(-1)^{k-1}$. Therefore $d = 1$. Now we are done.
정리하면, $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수는 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right] = \frac{p_k}{q_k}$이다. 그리고 $\gcd(p_k, q_k) = 1$이다.
예를 들어 연분수 $[0; 1, 1, \cdots, 1]$을 생각하자. $p_{-2} = 0, q_{-2} = 1, p_{-1} = 1, q_{-1} = 0$임에 유의하라. 그러면 모든 $k$에 대하여 $p_k = a_kp_{k-1} + p_{k-2}, q_k = a_kq_{k-1} + q_{k-2}$이다. 그러면 $C_0 = \frac{0}{1}, C_1 = \frac{1}{1}, C_2 = \frac{1}{2}, C_3 = \frac{2}{3}, \cdots$이다. $k$번째 근사분수 $C_k$의 분자는 $p_k = 1 \cdot p_{k-1} + p_{k-2} = p_{k-1} + p_{k-2}$이고 분모는 $q_k = 1 \cdot q_{k-1} + q_{k-2} = q_{k-1} + q_{k-2}$이다. $u_k$를 $k$번째 피보나치 수라 하자. 그러면 $C_k = \frac{u_k}{u_{k+1}}$이다. 정리 3.9에 의하여 정수 $k$에 대하여 $u_{k+1}u_{k-1} - u_k^2 = (-1)^k$임을 안다.
역주. 원문은 $C_k = \frac{u_k}{u_{k-1}}$로 적었으나 분자와 분모가 뒤바뀐 식이다. $[0; 1, 1, \cdots, 1]$에서는 $p_k = u_k$, $q_k = u_{k+1}$ ($u_0 = 0, u_1 = u_2 = 1$)이므로 $C_k = \frac{u_k}{u_{k+1}}$이며, 이는 바로 위에 적은 $C_0 = \frac{0}{1}, C_1 = \frac{1}{1}, C_2 = \frac{1}{2}, C_3 = \frac{2}{3}$과 맞는다. 이 번호 매김에서 정리 3.9는 카시니 항등식 $u_{k+1}u_{k-1} - u_k^2 = (-1)^k$를 준다(원문의 $(-1)^{k-1}$은 $u_k$를 $(k+1)$번째 피보나치 수로 보는 다른 번호 매김에 해당한다). 또 이 항등식은 따름정리 3.10이 아니라 정리 3.9에서 따라 나온다.
(Burton) 정리 15.8의 예로, 일차 디오판토스 방정식 $172x + 20y = 1000$을 풀어 보자. $43x + 5y = 250$을 풀면 된다 ($\because \gcd(43, 5) = 1$). 유클리드 호제법에 의하여 다음 식을 얻는다.
따라서
$q_2 = 2$이고 $p_2 = 17$이며 $p_kq_{k-1} - q_kp_{k-1} = (-1)^{k-1}$임을 안다. 따라서 $43 \cdot 2 - 5 \cdot 17 = (-1)^2 = 1$이다. 그러므로 $172x + 20y = 1000$의 정수해로 $(x, y) = (2\cdot250, -17\cdot250) = (500, -4250)$을 얻는다.
역주. 원문은 $(x, y) = (2\cdot250, 17\cdot250) = (500, 4250)$으로 적었으나 부호 오류이다. $43 \cdot 2 - 5 \cdot 17 = 1$이므로 $y_0 = -17\cdot250$이 되어야 하고, 옳은 해는 $(500, -4250)$이다.
Summary, $k$th convergent of $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$ is $\left[a_0; a_1, \cdots, a_k\right] = \frac{p_k}{q_k}$. And $\gcd(p_k, q_k) = 1$.
For example, consider the continued fraction $[0; 1, 1, \cdots, 1]$. Note that $p_{-2} = 0, q_{-2} = 1, p_{-1} = 1, q_{-1} = 0$. Then $p_k = a_kp_{k-1} + p_{k-2}, q_k = a_kq_{k-1} + q_{k-2}$ for all $k$. Then $C_0 = \frac{0}{1}, C_1 = \frac{1}{1}, C_2 = \frac{1}{2}, C_3 = \frac{2}{3}, \cdots$. The numerator of the $k$th convergent $C_k$ is $p_k = 1 \cdot p_{k-1} + p_{k-2} = p_{k-1} + p_{k-2}$ and the denominator is $q_k = 1 \cdot q_{k-1} + q_{k-2} = q_{k-1} + q_{k-2}$. Define $u_k$ be the $k$th Fibonacci number. Then $C_k = \frac{u_k}{u_{k-1}}$. By corollary 3.10, we know that $u_{k+1}u_{k-1} - u_k^2 = (-1)^{k-1}$ for integer $k$.
For example of theorem 15. 8, let us solve the linear Diophantine equation $172x + 20y = 1000$. We need to solve the $43x + 5y = 250$ ($\because \gcd(43, 5) = 1$). By Euclid’s algorithm, we have the formula
Therefore
We know that $q_2 = 2$ and $p_2 = 17$ and $p_kq_{k-1} - q_kp_{k-1} = (-1)^{k-1}$. Therefore $43 \cdot 2 - 5 \cdot 17 = (-1)^2 = 1$. So we have an integral solution $(x, y) = (2 \cdot 250, 17 \cdot 250) = (500, 4250)$ of $172x + 20y = 1000$.
단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수 $C_k$의 분모를 $q_k$라 하면, $k \gt 1$일 때 $1 \le k \le n$에 대하여 $q_{k-1} \le q_k$이다.
$k = 1$이라 하자. 그러면 $q_0 = 1$, $q_1 = a_1 \ge 1$이다. 따라서 $q_0 \le q_1$이다. $k = m$ ($1 \le m \lt n$)일 때 성립한다고 가정하자. 그러면
역주. 원문은 $q_{m+1} = a_mq_m + a_{m-1} \gt a_{m+1}q_m \ge 1 \cdot q_m = q_m$으로 적었으나 첨자가 잘못되었다. 옳은 식은 $q_{m+1} = a_{m+1}q_m + q_{m-1} \ge a_{m+1}q_m \ge 1 \cdot q_m = q_m$이다.
If $q_k$ is the denominator of the $k$th convergent $C_k$ of the simple continued fraction $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$, then $q_{k-1} \le q_k$ for $1 \le k \le n$, when $k \gt 1$.
Assume that $k = 1$. Then $q_0 = 1$, $q_1 = a_1 \ge 1$. Therefore $q_0 \le q_1$. Assume that it is true for $k = m$ ($1 \le m \lt n$). Then
1. $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$
2. $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$
3. 홀수 번째 근사분수는 모두 짝수 번째 근사분수보다 크다.
역주. 원문에는 증명이 비어 있어 아래 증명은 직접 작성한 것이다.
정리 3.9에 의해 $1 \le k \le n$에서 $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$이므로
이제 $2 \le k \le n$에서 $C_k-C_{k-2}$를 계산하자. 점화식 $p_k=a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k=a_kq_{k-1}+q_{k-2}$를 대입하면
이고 (마지막 줄에서 정리 3.9를 $k-1$번째 관계식에 적용했다), 따라서
$a_k$와 $q_k$는 모두 양수이므로 (ii)의 부호는 $(-1)^k$의 부호와 같다.
1. $k$가 짝수이면 (ii)에서 $C_k - C_{k-2} \gt 0$, 즉 $C_k \gt C_{k-2}$이다. $k=2,4,6,\cdots$에 차례로 적용하면 $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$를 얻는다.
2. $k$가 홀수이면 (ii)에서 $C_k - C_{k-2} \lt 0$, 즉 $C_k \lt C_{k-2}$이다. $k=3,5,7,\cdots$에 차례로 적용하면 $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$를 얻는다.
3. 먼저 (i)에서 이웃한 두 근사분수의 대소를 읽자. $2j+1 \le n$일 때 $k=2j+1$로 두면 $C_{2j+1} - C_{2j} = \frac{(-1)^{2j}}{q_{2j+1}q_{2j}} = \frac{1}{q_{2j+1}q_{2j}} \gt 0$이고, $1 \le 2i \le n$일 때 $k=2i$로 두면 $C_{2i} - C_{2i-1} = \frac{(-1)^{2i-1}}{q_{2i}q_{2i-1}} = -\frac{1}{q_{2i}q_{2i-1}} \lt 0$이다. 즉
이제 $2i \le n$이고 $2j+1 \le n$인 임의의 $i, j \ge 0$을 잡아 $C_{2i} \lt C_{2j+1}$임을 보이자. $2i \lt 2j+1$이면 $2i \le 2j$이므로 1에 의해 $C_{2i} \le C_{2j}$이고, $2i \gt 2j+1$이면 $2i-1 \ge 2j+1$이므로 2에 의해 $C_{2i-1} \le C_{2j+1}$이다. 따라서
이므로 어느 경우에나 $C_{2i} \lt C_{2j+1}$이다. 두 경우 모두 쓰인 첨자가 $n$ 이하이므로 등장하는 근사분수는 모두 존재한다. 즉 홀수 번째 근사분수는 모두 짝수 번째 근사분수보다 크다.
1. $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$
2. $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$
3. Every convergent with an odd script is greater than every convergent with an even script.
Note. The notes leave this proof blank; the proof below is ours.
By Theorem 3.9, $p_kq_{k-1}-q_kp_{k-1}=(-1)^{k-1}$ for $1 \le k \le n$, so
Now compute $C_k-C_{k-2}$ for $2 \le k \le n$. Substituting the recursion $p_k=a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k=a_kq_{k-1}+q_{k-2}$,
where the last line applies Theorem 3.9 to the pair $(k-1, k-2)$. Hence
Since $a_k$ and $q_k$ are positive, the sign of (ii) agrees with the sign of $(-1)^k$.
1. If $k$ is even, (ii) gives $C_k - C_{k-2} \gt 0$, i.e. $C_k \gt C_{k-2}$. Applying this for $k=2,4,6,\cdots$ gives $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$.
2. If $k$ is odd, (ii) gives $C_k - C_{k-2} \lt 0$, i.e. $C_k \lt C_{k-2}$. Applying this for $k=3,5,7,\cdots$ gives $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$.
3. First read off from (i) how two adjacent convergents compare. For $2j+1 \le n$, taking $k=2j+1$ gives $C_{2j+1} - C_{2j} = \frac{(-1)^{2j}}{q_{2j+1}q_{2j}} = \frac{1}{q_{2j+1}q_{2j}} \gt 0$, and for $1 \le 2i \le n$, taking $k=2i$ gives $C_{2i} - C_{2i-1} = \frac{(-1)^{2i-1}}{q_{2i}q_{2i-1}} = -\frac{1}{q_{2i}q_{2i-1}} \lt 0$. That is,
Now take any $i, j \ge 0$ with $2i \le n$ and $2j+1 \le n$, and show $C_{2i} \lt C_{2j+1}$. If $2i \lt 2j+1$, then $2i \le 2j$, so part 1 gives $C_{2i} \le C_{2j}$; if $2i \gt 2j+1$, then $2i-1 \ge 2j+1$, so part 2 gives $C_{2i-1} \le C_{2j+1}$. Hence
so in either case $C_{2i} \lt C_{2j+1}$. In both cases every index used is at most $n$, so all the convergents appearing exist. That is, every convergent with an odd script is greater than every convergent with an even script.
(*) $C_k = \frac{p_k}{q_k}$를 $[1; 2, 3, \cdots, n, n+1]$의 $k$번째 근사분수라 하자. $p_n = np_{n-1} + np_{n-2} + (n-1)p_{n-3} + \cdots + 3p_1 + 2p_0 + p_0 + 1$임을 증명하라.
$\left[1;2,3,\cdots,n,n+1\right]$에서는 $a_k = k+1$ ($0 \le k \le n$)이므로, 정리 3.8의 점화식은 모든 $k \ge 0$에 대하여 $p_k = (k+1)p_{k-1}+p_{k-2}$의 꼴이다 (단 $p_{-2}=0, p_{-1}=1$인 앞선 약속을 쓴다).
1단계. $k=n$을 대입하면 $a_n=n+1$이므로
2단계. $1 \le k \le n-1$인 각 $k$에 대해 $p_k=(k+1)p_{k-1}+p_{k-2}$의 양변에 $p_{k-1}$을 더하면
3단계 (전개). 2단계의 식을 $k=n-1,n-2,\cdots,1$에 차례로 적용하면
이고, 이 식들을 위에서부터 차례로 대입해 나가면 (즉 $k=n-1$부터 $k=1$까지 내려가는 귀납법)
을 얻는다. $p_{-1}=1$이므로 마지막 항은 $p_0+1$이다. 이를 1단계의 식에 대입하면
을 얻는다. 실제로 $n=3$일 때 $p_0=1, p_1=3, p_2=10, p_3=43$이고,
이므로 공식이 확인된다.
(*) Let $C_k = \frac{p_k}{q_k}$ be the $k$th convergent of $[1; 2, 3, \cdots, n, n+1]$. Prove that $p_n = np_{n-1} + np_{n-2} + (n-1)p_{n-3} + \cdots + 3p_1 + 2p_0 + p_0 + 1$.
For $\left[1;2,3,\cdots,n,n+1\right]$ we have $a_k = k+1$ ($0 \le k \le n$), so the recursion of Theorem 3.8 reads $p_k = (k+1)p_{k-1}+p_{k-2}$ for all $k \ge 0$ (using the earlier convention $p_{-2}=0, p_{-1}=1$).
Step 1. Taking $k=n$, since $a_n=n+1$,
Step 2. For each $k$ with $1 \le k \le n-1$, adding $p_{k-1}$ to both sides of $p_k=(k+1)p_{k-1}+p_{k-2}$ gives
Step 3 (unrolling). Applying Step 2 successively for $k=n-1,n-2,\cdots,1$,
and substituting these in turn (i.e. induction descending from $k=n-1$ to $k=1$) yields
Since $p_{-1}=1$, the last term is $p_0+1$. Substituting into Step 1,
as claimed. Indeed, for $n=3$, $p_0=1, p_1=3, p_2=10, p_3=43$, and
confirming the formula.
$C_k = \frac{p_k}{q_k}$를 단순연분수 $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$의 $k$번째 근사분수라 하자. $2 \le k \le n$에 대하여 $q_k \ge 2^{\frac{k-1}{2}}$임을 증명하라.
단순연분수의 정의(정의 3.1, 3.3)에 의해 $a_1, \cdots, a_n$은 모두 양의 정수이므로 $a_k \ge 1$ ($1 \le k \le n$)이다. 또 $q_{-1}=0, q_0=1, q_1=a_1 \ge 1$이다. 정리 3.8의 점화식 $q_k = a_kq_{k-1}+q_{k-2}$에 $a_k \ge 1$을 적용하면 $2 \le k \le n$에서
보조정리 3.11에 의해 $q_{k-2} \le q_{k-1}$이므로 $q_{k-1}+q_{k-2} \ge 2q_{k-2}$이고, 따라서
$(\ast)$는 $q_k$를 두 단계 앞선 $q_{k-2}$로 묶으므로, $k$가 짝수인 경우와 홀수인 경우를 각각 $k=2$, $k=3$을 기초로 하는 귀납법으로 다룬다.
기초 단계 ($k=2$). $q_2 = a_2q_1+q_0 \ge 1\cdot1+1 = 2 \ge \sqrt{2} = 2^{\frac{1}{2}}$이므로 $k=2$일 때 성립한다.
기초 단계 ($k=3$). $q_3 = a_3q_2+q_1 \ge q_2+q_1 \ge 2+1 = 3 \ge 2 = 2^1$이므로 $k=3$일 때 성립한다.
귀납 단계. $4 \le k \le n$이고 $q_{k-2} \ge 2^{\frac{(k-2)-1}{2}} = 2^{\frac{k-3}{2}}$이 이미 성립한다고 가정하자 (기초 단계에 의해 $k-2=2,3$일 때 성립하며, 이 단계를 거쳐 모든 $k-2$에 대해 귀납적으로 성립한다). 그러면 $(\ast)$에 의해
이므로 $k$일 때도 성립한다. 수학적 귀납법(두 단계씩 진행하는 강한 귀납법)에 의하여 $2 \le k \le n$인 모든 $k$에 대하여 $q_k \ge 2^{\frac{k-1}{2}}$이다.
Let $C_k = \frac{p_k}{q_k}$ be the $k$th convergent of the simple continued fraction $\left[a_0; a_1, \cdots, a_n\right]$. Prove that $q_k \ge 2^{\frac{k-1}{2}}$, $2 \le k \le n$.
By the definition of a simple continued fraction (Definitions 3.1, 3.3), $a_1, \cdots, a_n$ are all positive integers, so $a_k \ge 1$ for $1 \le k \le n$. Also $q_{-1}=0, q_0=1, q_1=a_1 \ge 1$. Applying $a_k \ge 1$ to the recursion $q_k = a_kq_{k-1}+q_{k-2}$ of Theorem 3.8, for $2 \le k \le n$,
By Lemma 3.11, $q_{k-2} \le q_{k-1}$, so $q_{k-1}+q_{k-2} \ge 2q_{k-2}$, and hence
Since $(\ast)$ links $q_k$ to $q_{k-2}$ two steps earlier, we handle even and odd $k$ by induction based on $k=2$ and $k=3$ respectively.
Base case ($k=2$). $q_2 = a_2q_1+q_0 \ge 1\cdot1+1 = 2 \ge \sqrt{2} = 2^{\frac{1}{2}}$, so the claim holds for $k=2$.
Base case ($k=3$). $q_3 = a_3q_2+q_1 \ge q_2+q_1 \ge 2+1 = 3 \ge 2 = 2^1$, so the claim holds for $k=3$.
Inductive step. Let $4 \le k \le n$ and suppose $q_{k-2} \ge 2^{\frac{(k-2)-1}{2}} = 2^{\frac{k-3}{2}}$ already holds (true for $k-2=2,3$ by the base cases, and inductively for every $k-2$ through this same step). Then by $(\ast)$,
so the claim holds for $k$ as well. By mathematical induction (a strong induction proceeding two steps at a time), $q_k \ge 2^{\frac{k-1}{2}}$ for all $2 \le k \le n$.
$[1; 2, 3, 3, 2, 1]$과 $[-3; 1, 1]$의 근사분수를 계산하라.
$[1; 2, 3, 3, 2, 1]$에서는 $a_0=1, a_1=2, a_2=3, a_3=3, a_4=2, a_5=1$이다. 정리 3.8의 점화식 $p_k=a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k=a_kq_{k-1}+q_{k-2}$ (단 $p_{-2}=0, q_{-2}=1, p_{-1}=1, q_{-1}=0$)를 적용하면
를 얻으므로 $[1; 2, 3, 3, 2, 1]$의 근사분수는 차례로
이다.
$[-3; 1, 1]$에서는 $a_0=-3, a_1=1, a_2=1$이므로 같은 점화식을 적용하면
를 얻으므로 $[-3; 1, 1]$의 근사분수는 차례로
이다.
Compute the convergents of the $[1; 2, 3, 3, 2, 1]$ and $[-3; 1, 1]$.
For $[1; 2, 3, 3, 2, 1]$, $a_0=1, a_1=2, a_2=3, a_3=3, a_4=2, a_5=1$. Applying the recursion $p_k=a_kp_{k-1}+p_{k-2}$, $q_k=a_kq_{k-1}+q_{k-2}$ of Theorem 3.8 (with $p_{-2}=0, q_{-2}=1, p_{-1}=1, q_{-1}=0$),
so the convergents of $[1; 2, 3, 3, 2, 1]$ are, in order,
For $[-3; 1, 1]$, $a_0=-3, a_1=1, a_2=1$, and the same recursion gives
so the convergents of $[-3; 1, 1]$ are, in order,
3.1416의 단순연분수 표현과 3.14159의 단순연분수 표현을 구하라.
$3.1416 = \frac{31416}{10000} = \frac{3927}{1250}$이다. 알고리즘(단순연분수 알고리즘)에 따라 $\frac{3927}{1250}$에 유클리드 호제법을 적용하면
을 얻는다. 몫을 차례로 읽으면
이다.
같은 방법으로 $3.14159 = \frac{314159}{100000}$에 유클리드 호제법을 적용하면
을 얻는다. 몫을 차례로 읽으면
이다.
Find the simple continued fraction representation of 3.1416, and that of 3.14159.
$3.1416 = \frac{31416}{10000} = \frac{3927}{1250}$. By the (simple continued fraction) algorithm, applying Euclid’s algorithm to $\frac{3927}{1250}$,
Reading off the quotients,
In the same way, applying Euclid’s algorithm to $3.14159 = \frac{314159}{100000}$,
Reading off the quotients,
$C_k = \frac{p_k}{q_k}$가 단순연분수 $[a_0; a_1, \cdots, a_n]$의 $k$번째 근사분수이고 $a_0 \gt 0$이면, 다음을 보여라.
먼저 모든 분모가 $0$이 아님을 확인하자. $a_0 \gt 0$이고 $a_1, \cdots, a_n$은 모두 양의 정수이므로, $p_{-1}=1$, $p_0=a_0 \ge 1$에서 시작하여 정리 3.8의 점화식 $p_j=a_jp_{j-1}+p_{j-2}$ ($p_{-2}=0$)를 적용하면 귀납적으로 $p_j \ge 1 \gt 0$이 모든 $j \ge -1$에 대하여 성립한다. 마찬가지로 $q_{-1}=0, q_0=1, q_1=a_1\ge1$에서 시작하여 보조정리 3.11에 의해 $q_j$는 단조증가하므로 $q_j \ge 1 \gt 0$이 모든 $j \ge 0$에 대하여 성립한다. 따라서 $p_{k-1}, q_{k-1}$은 각각 $k \ge 0$, $k \ge 1$에서 $0$이 아니다.
1. $\frac{p_k}{p_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1, a_0]$의 증명. $k$에 대한 수학적 귀납법으로 보인다.
기초 단계 ($k=1$). $p_1 = a_1a_0+1$, $p_0=a_0$이므로
이며 (여기서 $a_0 \gt 0$이 정수이므로 $[a_1;a_0]$은 정당한 연분수 기호이다), 이는 $k=1$일 때 구하는 등식이다.
귀납 단계. $1 \le m \lt n$인 $m$에 대하여 $\frac{p_m}{p_{m-1}} = [a_m; a_{m-1}, \cdots, a_1, a_0]$이 성립한다고 가정하자. 정의 3.3에 의해
이고, 이는 다시
이다 (마지막 등호는 정리 3.8의 점화식 $p_{m+1}=a_{m+1}p_m+p_{m-1}$에 의한다). 따라서 $k=m+1$일 때도 성립한다. 수학적 귀납법에 의하여 $1 \le k \le n$인 모든 $k$에 대하여 $\frac{p_k}{p_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1, a_0]$이다.
2. $\frac{q_k}{q_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1]$의 증명. $k=1$일 때는 $q_1=a_1$, $q_0=1$이므로
이며, 이는 (한 항으로만 이루어진 연분수 $[a_1]=a_1$이라는 약속에 의해) $k=1$일 때 구하는 등식이다. $2 \le k \le n$일 때는 1과 똑같은 귀납법을 쓰되 기초 단계를 $k=1$의 위 식으로 삼는다. $1 \le m \lt n$에서 $\frac{q_m}{q_{m-1}} = [a_m; a_{m-1}, \cdots, a_1]$이 성립한다고 가정하면, 정의 3.3에 의해
이다 (마지막 등호는 정리 3.8의 점화식 $q_{m+1}=a_{m+1}q_m+q_{m-1}$에 의한다). 따라서 $k=m+1$일 때도 성립하며, 수학적 귀납법에 의하여 $1 \le k \le n$인 모든 $k$에 대하여 $\frac{q_k}{q_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1]$이다.
If $C_k = \frac{p_k}{q_k}$ is the $k$th convergent of the simple continued fraction $[a_0; a_1, \cdots, a_n]$ and $a_0 \gt 0$, show that
First we check that no denominator is $0$. Since $a_0 \gt 0$ and $a_1, \cdots, a_n$ are all positive integers, starting from $p_{-1}=1$, $p_0=a_0 \ge 1$ and applying the recursion $p_j=a_jp_{j-1}+p_{j-2}$ of Theorem 3.8 ($p_{-2}=0$), induction gives $p_j \ge 1 \gt 0$ for all $j \ge -1$. Likewise, starting from $q_{-1}=0, q_0=1, q_1=a_1\ge1$, Lemma 3.11 shows $q_j$ is nondecreasing, so $q_j \ge 1 \gt 0$ for all $j \ge 0$. Hence $p_{k-1}$ and $q_{k-1}$ are nonzero for $k \ge 0$ and $k \ge 1$, respectively.
1. Proof of $\frac{p_k}{p_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1, a_0]$. We use induction on $k$.
Base case ($k=1$). Since $p_1 = a_1a_0+1$, $p_0=a_0$,
(here $[a_1;a_0]$ is a legitimate continued-fraction symbol since $a_0 \gt 0$ is an integer), which is the desired identity for $k=1$.
Inductive step. Suppose $\frac{p_m}{p_{m-1}} = [a_m; a_{m-1}, \cdots, a_1, a_0]$ holds for some $m$ with $1 \le m \lt n$. By Definition 3.3,
and this equals
(the last equality by the recursion $p_{m+1}=a_{m+1}p_m+p_{m-1}$ of Theorem 3.8). So the identity also holds for $k=m+1$. By induction, $\frac{p_k}{p_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1, a_0]$ for all $1 \le k \le n$.
2. Proof of $\frac{q_k}{q_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1]$. For $k=1$, since $q_1=a_1$, $q_0=1$,
which is the desired identity for $k=1$ (by the convention that the one-term continued fraction $[a_1]=a_1$). For $2 \le k \le n$ we use the same induction as in 1, taking the identity above at $k=1$ as base case. Suppose $\frac{q_m}{q_{m-1}} = [a_m; a_{m-1}, \cdots, a_1]$ for some $1 \le m \lt n$; by Definition 3.3,
(the last equality by the recursion $q_{m+1}=a_{m+1}q_m+q_{m-1}$ of Theorem 3.8). So the identity also holds for $k=m+1$, and by induction $\frac{q_k}{q_{k-1}} = [a_k; a_{k-1}, \cdots, a_1]$ for all $1 \le k \le n$.
연분수를 이용하여 다음 각 디오판토스 방정식의 일반해를 구하라.
1. $19x + 51y = 1$.
2. $18x + 5y = 24$.
1. $\gcd(19,51)=1$이므로 $19x+51y=1$은 정수해를 갖는다. $\frac{19}{51}=[0;2,1,2,6]$이므로 $a_0=0,a_1=2,a_2=1,a_3=2,a_4=6$이고, 정리 3.8의 점화식으로
를 얻는다. 즉 근사분수는 $\frac{0}{1},\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{3}{8},\frac{19}{51}$이며 $n=4$이다. 정리 3.9에 의해 $p_nq_{n-1}-q_np_{n-1}=(-1)^{n-1}$이므로
양변에 $-1$을 곱하면 $19\cdot(-8)+51\cdot3=1$을 얻으므로 $(x_0,y_0)=(-8,3)$은 $19x+51y=1$의 특수해이다 (확인: $19\cdot(-8)+51\cdot3=-152+153=1$). $\gcd(19,51)=1$이므로 정리 1.9, 1.10에 의해 일반해는
로 주어진다.
2. $\gcd(18,5)=1$이다. $\frac{18}{5}=[3;1,1,2]$이므로 $a_0=3,a_1=1,a_2=1,a_3=2$이고,
를 얻는다. 근사분수는 $\frac{3}{1},\frac{4}{1},\frac{7}{2},\frac{18}{5}$이며 $n=3$이다. 정리 3.9에 의해
이 식은 이미 $18x+5y=1$의 특수해 $(x,y)=(2,-7)$을 준다 (확인: $18\cdot2+5\cdot(-7)=36-35=1$). $18x+5y=24$를 얻으려면 양변에 $24$를 곱하면 되므로 $(x_0,y_0)=(48,-168)$은 $18x+5y=24$의 특수해이다 (확인: $18\cdot48+5\cdot(-168)=864-840=24$). $\gcd(18,5)=1$이므로 정리 1.9, 1.10에 의해 일반해는
로 주어진다. 매개변수를 $n = n'-9$로 바꾸면 $x=48+5(n'-9)=3+5n'$, $y=-168-18(n'-9)=-6-18n'$이 되므로, 이는 더 간단한 특수해 $(x_0,y_0)=(3,-6)$에서 출발한 같은 해족을 $x=3+5n, y=-6-18n$ ($n \in \mathbb{Z}$)으로 나타낸 것과 같다 (확인: $18\cdot3+5\cdot(-6)=54-30=24$).
By means of continued fractions determine the general solutions of each of the following Diophantine equations:
1. $19x + 51y = 1$.
2. $18x + 5y = 24$.
1. Since $\gcd(19,51)=1$, $19x+51y=1$ has integral solutions. Since $\frac{19}{51}=[0;2,1,2,6]$, $a_0=0,a_1=2,a_2=1,a_3=2,a_4=6$, and the recursion of Theorem 3.8 gives
So the convergents are $\frac{0}{1},\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{3}{8},\frac{19}{51}$, and $n=4$. By Theorem 3.9, $p_nq_{n-1}-q_np_{n-1}=(-1)^{n-1}$, so
Multiplying both sides by $-1$ gives $19\cdot(-8)+51\cdot3=1$, so $(x_0,y_0)=(-8,3)$ is a particular solution of $19x+51y=1$ (check: $19\cdot(-8)+51\cdot3=-152+153=1$). Since $\gcd(19,51)=1$, by Theorems 1.9 and 1.10 the general solution is
2. $\gcd(18,5)=1$. Since $\frac{18}{5}=[3;1,1,2]$, $a_0=3,a_1=1,a_2=1,a_3=2$, and
So the convergents are $\frac{3}{1},\frac{4}{1},\frac{7}{2},\frac{18}{5}$, and $n=3$. By Theorem 3.9,
This already gives a particular solution $(x,y)=(2,-7)$ of $18x+5y=1$ (check: $18\cdot2+5\cdot(-7)=36-35=1$). To reach $18x+5y=24$ we multiply both sides by $24$, so $(x_0,y_0)=(48,-168)$ is a particular solution of $18x+5y=24$ (check: $18\cdot48+5\cdot(-168)=864-840=24$). Since $\gcd(18,5)=1$, by Theorems 1.9 and 1.10 the general solution is
Reparametrizing with $n=n'-9$ gives $x=48+5(n'-9)=3+5n'$, $y=-168-18(n'-9)=-6-18n'$, so this is the same family of solutions written from the simpler particular solution $(x_0,y_0)=(3,-6)$ as $x=3+5n, y=-6-18n$ ($n \in \mathbb{Z}$) (check: $18\cdot3+5\cdot(-6)=54-30=24$).
단순연분수 $[1; 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]$에 대하여 정리 3.12를 확인하라.
정리 3.12는 세 가지를 주장한다. (1) $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$, (2) $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$, (3) 홀수 번째 근사분수는 모두 짝수 번째 근사분수보다 크다. $[1;1,1,1,1,1,1,1]$에서는 $a_0=a_1=\cdots=a_7=1$이므로 정리 3.8의 점화식으로
를 얻는다 (피보나치 수열이 그대로 나타난다). 근사분수와 그 값은
이다. 이제 정리 3.12의 세 항목을 각각 확인하자.
(1) $C_0=1 \lt C_2=1.5 \lt C_4=1.6 \lt C_6\approx1.6154$이므로 $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt C_6$이 성립한다.
(2) $C_1=2 \gt C_3\approx1.6667 \gt C_5=1.625 \gt C_7\approx1.6190$이므로 $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt C_7$이 성립한다.
(3) 짝수 번째 근사분수 $\{C_0,C_2,C_4,C_6\}$ 중 최댓값은 $C_6\approx1.6154$이고, 홀수 번째 근사분수 $\{C_1,C_3,C_5,C_7\}$ 중 최솟값은 $C_7\approx1.6190$이다. $C_6 \lt C_7$이므로 짝수 번째 근사분수의 최댓값이 홀수 번째 근사분수의 최솟값보다 작고, 따라서 모든 짝수 번째 근사분수는 모든 홀수 번째 근사분수보다 작다. 즉 홀수 번째 근사분수는 모두 짝수 번째 근사분수보다 크다.
세 항목이 모두 확인되었으므로 정리 3.12가 이 연분수에 대하여 성립함이 검증되었다.
Verify Theorem 3.12 for the simple continued fraction $[1; 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]$.
Theorem 3.12 asserts three things: (1) $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt \cdots$, (2) $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt \cdots$, (3) every convergent with an odd script is greater than every convergent with an even script. For $[1;1,1,1,1,1,1,1]$, $a_0=a_1=\cdots=a_7=1$, so the recursion of Theorem 3.8 gives
(the Fibonacci sequence appears exactly). The convergents and their values are
Now we check each item of Theorem 3.12.
(1) Since $C_0=1 \lt C_2=1.5 \lt C_4=1.6 \lt C_6\approx1.6154$, we have $C_0 \lt C_2 \lt C_4 \lt C_6$.
(2) Since $C_1=2 \gt C_3\approx1.6667 \gt C_5=1.625 \gt C_7\approx1.6190$, we have $C_1 \gt C_3 \gt C_5 \gt C_7$.
(3) The maximum of the even-indexed convergents $\{C_0,C_2,C_4,C_6\}$ is $C_6\approx1.6154$, and the minimum of the odd-indexed convergents $\{C_1,C_3,C_5,C_7\}$ is $C_7\approx1.6190$. Since $C_6 \lt C_7$, the maximum even-indexed convergent is less than the minimum odd-indexed convergent, so every even-indexed convergent is less than every odd-indexed convergent. That is, every convergent with an odd script is greater than every convergent with an even script.
All three items are confirmed, so Theorem 3.12 is verified for this continued fraction.