Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом

Let $G_{\mathcal{A}}$ be a set of values of continued fractions whose elements belong to a bounded set $\mathcal{A}$ of positive real numbers. We prove that $G_{\mathcal{A}}$ is a continuum bounded and perfect set. For $\mathcal{A}_3=\{0{,}5; 1; 8\}$, the set $G_{\mathcal{A}}$ is a Cantorval, namely...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2019
Автори: Працьовитий, М. В., Гончаренко, Я. В., Дрозденко, В. О.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2019
Онлайн доступ:https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/523
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
_version_ 1872553030666158080
author Працьовитий, М. В.
Гончаренко, Я. В.
Дрозденко, В. О.
author_facet Працьовитий, М. В.
Гончаренко, Я. В.
Дрозденко, В. О.
author_institution_txt_mv [ { "author": "М. В. Працьовитий", "institution": "Національний педагогічний університет імені М. П. Драгоманова, Київ" }, { "author": "Я. В. Гончаренко", "institution": null }, { "author": "В. О. Дрозденко", "institution": "Білоцерківський національний аграрний університет, Біла Церква" } ]
author_sort Працьовитий, М. В.
baseUrl_str https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/oai
collection OJS
datestamp_date 2023-03-02T07:56:20Z
description Let $G_{\mathcal{A}}$ be a set of values of continued fractions whose elements belong to a bounded set $\mathcal{A}$ of positive real numbers. We prove that $G_{\mathcal{A}}$ is a continuum bounded and perfect set. For $\mathcal{A}_3=\{0{,}5; 1; 8\}$, the set $G_{\mathcal{A}}$ is a Cantorval, namely, it is homeomorphic to the set$$E= \{x: x=\sum\limits_{k=1}^{\infty}(\frac{3\alpha_{2k-1}}{4^k}+\frac{2\alpha_{2k}}{4^k}),\alpha_k\in\{0,1\}\},$$where $E$ contains a finite set of intervals whose complements are continuum nowhere dense sets.
first_indexed 2026-08-04T01:08:51Z
format Article
fulltext Збiрник праць Iн-ту математики НАН України 2019, т. 16, № 3, 210–218 УДК 510.22+511.72+517.5+519.21 М.В. Працьовитий 1, Я. В. Гончаренко 2, В.О. Дрозденко 3 1НПУ iменi М.П. Драгоманова, IМ НАН України, Київ; prats4444@gmail.com 2НПУ iменi М.П. Драгоманова, Київ; yan_a@ukr.net 3Бiлоцеркiвський нацiональний аграрний унiверситет, Бiла Церква; drozdenko0408@gmail.com Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробiв з обмеженим алфавiтом LetGA be a set of values of continued fractions whose elements belong to a bounded set A of positive real numbers. We prove that GA is a continuum bounded and perfect set. For A3 = {0,5; 1; 8}, the set GA is a Cantorval, namely, it is homeomorphic to the set E = {x : x = ∞∑ k=1 ( 3α2k−1 4k + 2α2k 4k ), αk ∈ {0, 1}}, where E contains a finite set of intervals whose complements are continuum nowhere dense sets. Key words: continued fraction, Cantorval, topological structure of a set of continued fractions with bounded alphabet, set of incomplete sums of numerical series, nowhere dense set, Lebesgue measure, perfect set. c© М.В. Працьовитий, Я.В. Гончаренко, В. О. Дрозденко Доведено, що множина GA значень ланцюгових дробiв, елемен- ти яких належать обмеженiй множинi A додатних дiйсних чисел є континуальною, обмеженою, досконалою. При A3 = {0, 5; 1; 8} вона є канторвалом, а саме множиною, гомеоморфною множинi E = {x : x = ∞∑ k=1 ( 3α2k−1 4k + 2α2k 4k ), αk ∈ {0, 1}}, яка мiстить злiченну множину вiдрiзкiв, доповнення до яких є континуальною нiде не щiльною множиною. Ключовi слова: ланцюговий дрiб, канторвал, топологiчна стру- ктура множини ланцюгових дробiв з обмеженим алфавiтом, мно- жина неповних сум числового ряду, нiде не щiльна множина, мiра Лебега, досконала множина. Вступ Популярними об’єктами сучасних математичних дослiджень є канторвали – обмеженi лiнiйнi досконалi множини, що є об’єдна- нням двох множин, одна з яких є нiде не щiльною, а iнша — злi- ченним об’єднанням вiдрiзкiв, кожен з яких є сумiжним першiй множинi i при цьому злiченна множина сумiжних iнтервалiв пер- шої не мiстить точок другої множини. Такi множин виникають в тополого-метричнiй теорiї абсолютно збiжних числових рядiв, теорiї нескiнченних згорток Бернуллi, дослiдженнях розподiлiв випадкових величин типу Джессена-Вiнтнера тощо. У геометрiї числових рядiв вони фiгурують в якостi множин неповних сум (пiдсум) рядiв певної категорiї, для розподiлiв випадкових вели- чин – спектрами (мiнiмальними замкненими носiями ймовiрнi- сної мiри). Аналогiчна ситуацiя має мiсце з множинами значень неелементарних ланцюгових дробiв з обмеженим алфавiтом, еле- менти якого додатнi. Цьому питанню присвячена дана робота. Добре вiдомо, що всi обмеженi лiнiйнi досконалi множини (а саме замкненi множини без iзольованих точок) гомеоморфнi кла- 212 М.В. Працьовитий, Гончаренко Я.В., Дрозденко В.О. сичнiй множинi Кантора C = {x : x = ∞∑ k=1 2αk 3k = ∆3 α1α2...αk... , αk ∈ {0, 2}}, доведення цього факту можна знайти в роботах [ ]. Множиною неповних сум (пiдсум) числового ряду a1 + a2 + ... + an + ... на- зивається множина E(an) = {x : x = ∑ n∈M⊂N an = ∞∑ n=1 εnan, εn = 1 при n ∈ M ; εn = 0 при n /∈ M}, де M — пробiгає сiм’ю всiх пiдмножин множини натуральних чисел (булiан). Множина неповних сум (пiдсум) абсолютно збiжного число- вого ряду є континуальною i досконалою. При цьому вона нале- жить до одного з трьох топологiчних типiв: 1) є скiнченним об’єднанням вiдрiзкiв; 2) є нiде не щiльною множиною; 3) є канторвалом — об’єднанням нiде не щiльної множини i злiченної множини вiдрiзкiв, а саме множиною, гомеоморфною множинi неповних сум ряду 3 4 + 2 4 + 3 42 + 2 42 + ...+ 3 4n + 2 4n + ..., що рiвносильно гомеоморфною множинi T ≡ C ∪ ∞⋃ n=1 G2n−1 = [0; 1] \ ∞⋃ n=1 G2n, де Gk = ⋃ α1∈{0,2} ... ⋃ αk−1∈{0,2} (∆3 α1...αk−11(0) ; ∆3 α1...αk−11(2) ). Критерiй належностi множини пiдсум першому типу вiдомий. Вiн отриманий С.Какея ще в 1914 р. у першiй публiкацiї з цiєї тематики. Ознака (достатнi умови) належностi другому типу — теж. Але до цих пiр критерiя канторвальностi множини пiдсум ряду не знайдено. Канторвал як множина неелементарних ланцюгових дробiв 213 Нагадаємо, що нескiнченним ланцюговим дробом називається вираз виду a0 + 1 a1 + 1 a2+... , (1) який скорочено позначається [a0; a1, a2, ...]. Як вiдомо [6], число- вий ланцюговий дрiб (1) є збiжним (має значення) лише тодi, коли a1 + a2 + ...+ an + ... є розбiжним. Ланцюговий дрiб [an; an+1, an+2, ...] називається залишком по- рядку n дробу (1), а скiнченний дрiб [a0; a1, ..., an] — вiдрiзком. Ланцюговий дрiб rn ≡ [an; an+1, an+2, ...] називається зали- шком порядку n, а скiнченний дрiб pn qn ≡ [a0; a1, ..., an] — вiдрiз- ком дробу (1), прицьому дрiб pn qn називається пiдхiдним дробом порядку n. Закон утворення пiдхiдних дробiв (p−1 = 1, q−1 = 0, p0 = a0, q0 = 1): pk ≡ akpk−1 + pk−2, qk = akqk−1 + qk−2, ∀k ≥ 2. Має мiсце рiвнiсть [a0; a1, a2, ...] = [a0; a1, a2, ..., an−1 + 1 rn ] = [a0; a1, a2, ..., an−1, rn]. Нехай A = {0, 5; 1; 3} – алфавiт, L = A×A×...×A×...– простiр послiдовностей елементiв алфавiту. Розглядається множина G всiх ланцюгових дробiв, елементами яких належать алфавiту A. 1. Множина значень ланцюгових дробiв з обмеженим алфавiтом Нехай 1 < s – фiксоване натуральне число, A = {c0, c1, . . . , cs−1} — множина дiйсних чисел таких, що 0 < c0 < c1 < . . . < cs−1, яка називається алфавiтом; LA = A×A×A× . . .×A× . . . —простiр послiдовностей елементiв алфавiту A. Нас цiкавлять тополого- метричнi властивостi множини GA значень усiх нескiнченних ланцюгових дробiв виду [0; a1, a2, . . . , an, . . .], де (an) ∈ LA. Випадок s = 2 заслуговує на окрему увагу, яка йому придiле- на у роботах [?, 2, 7, 8, 14]. 214 М.В. Працьовитий, Гончаренко Я.В., Дрозденко В.О. Теорема 1. [2] Якщо s = 2, то GA є вiдрiзком [a; b], де a = [0; (c1, c0)], b = [0; (c0, c1)], коли c0c1 ≤ 1 2 ; нiде не щiльною множиною, коли c0c1 > 1 2 . При умовi c0c1 > 1 2 кожне число x ∈ GA має єдине зображення нескiнченним ланцюговим дро- бом, при c0c1 = 1 2 числа злiченної множини, щiльної у вiдрiзку [β0;β1], де β0 = [0; (c1, c0)], β1 = [0; (c0, c1)], мають два зображе- ння, а решта — мають єдине зображення. Зауважимо, що при c0 = √ 3−1 2 , c1 = √ 3+1 2 множина GA є оди- ничним вiдрiзком [c0, c1], а при c0 = 1 2 , c1 = 1 — вiдрiзком [12 ; 1]. Лема 2. Множина GA значень нескiнченних ланцюгових дро- бiв виду [0; a1, a2, . . . , an, . . .], де (an) ∈ LA, є континуальною i обмеженою, причому minGA = [0; (cs−1, c0)] = √ c0cs−1(c0cs−1 + 4)− c0cs−1 2cs−1 ≡ d0, (2) maxGA = [0; (c0, cs−1)] = √ c0cs−1(c0cs−1 + 4)− c0cs−1 2c0 ≡ d1. (3) Доведення. Якщо a ∈ A 3 b, то зi збiжностi дробу [0; (a, b)] = x маємо x = 1 a+ 1 b+ x ⇔ ax+ x b+ x = 1 або abx+ ax2 + x = b+ x ⇔ ax2 + abx− b = 0 x = −ab+ √ ab(ab+ 4) 2a . Тодi очевидно, що виконуються рiвностi (2)–(3) i GA ⊂ [d0; d1]. Континуальнiсть множини GA є наслiдком попередньої теоре- ми. Справдi, якщо B = {c0, cs−1}, то згiдно з теоремою 1 множи- на GB значень усiх нескiнченних ланцюгових дробiв з алфавiтом B є континуальною. А отже, такою є i множина GA ⊃ GB. � Канторвал як множина неелементарних ланцюгових дробiв 215 Наслiдок 3. Якщо A = {1 2 , 1, 8}, то minGA = √ 2− 1 4 , maxGA = 4 √ 2− 4 = 4( √ 2− 1). Означення 1. Нехай (b1, b2, ..., bm) — фiксований набiр елемен- тiв алфавiту A. Множина ∆′b1b2...bm всiх ланцюгових дробiв ви- ду [0; b1, b2, ..., bm, a1, a2, ...], де (αn) ∈ A, називається цилiндром рангу m з основою b1b2...bm. Цилiндр є обмеженою фiгурою, причому A = min ∆′b1...bm = [0; b1, b2, ..., bm, (a, b)], B = max ∆′b1...bm = [0; b1, b2, ..., bm, (b, a)], де a = { c0, якщо m− непарне, cs−1, якщо m− парне, b = { c0, якщо m− парне, cs−1, якщо m− непарне. Означення 2. Мiнiмальний вiдрiзок, що мiстить цилiндр ∆′b1b2...bm , тобто [A;B], називається цилiндричним вiдрiз- ком рангу m з основою b1b2...bm. Його позначатимемо через ∆b1b2...bm . Теорема 4. Множина GA значень всiх нескiнченних ланцюго- вих дробiв виду [0; a1, a2, . . . , an, . . .], де (an) ∈ LA, є досконалою. Доведення. Доведемо замкненiсть множини GA, тобто те, що во- на мiстить всi свої граничнi точки. Нехай Fk ≡ ⋃ a1∈A ... ⋃ ak∈A ∆a1a2...ak . Очевидно, що Fk+1 ⊂ Fk, k ∈ N . Множина Fk є замкненою, як скiнченне об’єднання за- мкнених множин. Оскiльки GA = ∞⋂ k=1 Fk = limk→∞ Fk, то GA є замкненою множиною. Для доведення вiдсутностi iзольованих точок у множини GA скористаємось методом вiд супротивного. Припустимо, що x0 = [0; b1, b2, ...] — iзольована точка множини GA. Тодi iснує ε > 0 таке, що iнтервал (x0 − ε;x0 + ε) не мiстить точок мно- жини GA. Розглянемо двi послiдовностi (xn) i (xn), де xn = 216 М.В. Працьовитий, Гончаренко Я.В., Дрозденко В.О. [0; b1, ..., b2n−1, b2n + d0], xn = [0; b1, ..., b2n−1, b2n + d1]. Очевидно, що xn 6= x0 або xn 6= x0, але x0 = lim n→∞ xn = lim n→∞ x′n, що супере- чить iзольованостi x0. � Лема 5. Нехай (b1, b2, ..., bn) — довiльний впорядкований набiр елементiв алфавiту A; A2 ≡ {α1, α2} ⊂ A, причому α1α2 ≤ 1 2 . Тодi множина D всiх чисел з зображеннями ∆b1b2...bna1a2..., де (an) ∈ A2, утворює вiдрiзок, який повнiстю належить множинi GA зна- чень ланцюгових дробiв з алфавiтом A. Доведення. Нехай pn qn — пiдхiдний дрiб порядку n числа x = [0; b1, b2, ..., bn, a1, a2, ...] тодi pn qn < x < pn+pn−1 qn+qn−1 або навпаки pn+pn−1 qn+qn−1 < x < pn qn в залежностi парностi або непарностi n. � Теорема 6. Множина всiх ланцюгових дробiв з обмеженим ал- фавiтом A мiстить вiдрiзок тодi i тiльки тодi, коли iснують такi елементи алфавiту cn i cn+1, що cn · cn+1 ≤ 1 2 , причому Доведення. Справдi, згiдно з лемою 1 при cncn+1 ≤ 1 2 множина GA2 , де A2 = {cn, cn+1}, є вiдрiзком i GA2 ⊂ GA. Якщо ж cncn+1 > 1 2 для всiх n ∈ {0, 1, ..., s− 2}, то цилiндри- чнi вiдрiзки першого рангу ∆c0 , ∆c1 ,...,∆cs−1 не мають спiльних точок. Аналогiчна ситуацiя має мiсце для цилiндрiв всiх рангiв. � Означення 3. Валом на числовiй прямiй називатимемо мно- жину W , яка є таким об’єднанням нескiнченного числа iнтер- валiв, що 1) iнтервали попарно не перетинаються; 2) мiж кожними двома iнтервалами об’єднання лежить при- наймнi один iнтервал цього об’єднання. Прикладом валу на числовiй прямiй є об’єднання цилiндри- чних iнтервалiв трiйкового зображення чисел вiдрiзка [0; 1] виду ∇3 1,∇3 c1c2...c2k−1c2k1 , де ci ∈ {0, 2}, k ∈ N . Канторвал як множина неелементарних ланцюгових дробiв 217 Множиною канторiвського типу називається обмежена нiде не щiльна, досконала множина. Означення 4. Канторвалом називається обмежена доскона- ла множина K числової прямої, яка є об’єднанням множини канторiвського типу C i валу W , кожен iнтервал якого є су- мiжним з множиною C i при цьому доповнення K до K є валом. Структурою канторвалу K називається представлення (розклад): K = C ∪W . Теорема 7. Якщо A = {12 ; 1; 8}, то GA – канторвал. Доведення. Для довiльного набору (c1, . . . , cm) ∈ Am множина ∆c1...cm значень ланцюгових дробiв виду [0; c1, . . . , cm, α1, α2 . . . αn, . . .], де αn ∈ A, згiдно з теоремою 1, є вiдрiзком. Очевидно, що ∆c1...cm ⊂ ∆′c1...cm ⊂ ∆c1...cm . Наприклад, ∆ 1 2 = [23 ; 1], ∆1 = [12 ; 2 3 ], ∆8 = [19 ; 2 17 ]. Тому GA мiстить нескiнченну кiлькiсть вiдрiзкiв. � Лiтература [1] Виннишин Я.Ф., Маркiтан В.П., Працьовитий М.В., Савчен- ко I.О. Додатнi ряди, множини пiдсум яких є канторвалами. – Proceedings of the International Geometry Center. — 2019. — Vol.12, no. 2. P. 26–42. [2] Дмитренко С.О., Кюрчев Д.В., Працьовитий М.В. Ланцюго- ве A2–зображення дiйсних чисел // Український математичний журнал. — 2009, том 61, № 4. — С.452–463. [3] Джоунс У., Трон В. Непрерывные дроби. Аналитическая теория и приложения. — М.: Мир, 1985. — 414с. [4] Працьовитий М. В. Фрактальний пiдхiд у дослiдженнях сингу- лярних розподiлiв. – Київ: Вид-во НПУ iменi М. П. Драгомано- ва. – 1998. – 296 c. [5] Турбин А.Ф., Працевитый Н.В. Фрактальные множества, фун- кции, распределения. — Киев: Наук.думка, 1992. — 208с. 218 М.В. Працьовитий, Гончаренко Я.В., Дрозденко В.О. [6] Хинчин А. Я. Цепные дроби. —М.: Наука, — 1978. — 112 с. [7] Pratsiovytyi M., Chuikov A. Continuous distributions whose functions preserve tails of an A2-continued fraction representation of numbers // Random Operators and Stochastic Equations, 2019. Vol. 27(3), pp. 199-206. [8] Pratsiovytyi M.V., Makarchuk O.P., Chuikov A.S. Approximation and estimates in the periodic representation of real numbers of the closed interval [0; 1] by A2-continued fractions. //Journal of Numeri- cal & Applied Mathematics. 2019. — 1 (130). Pp. 71–83. [9] Schweiger F. Continues fractaion and their generalizations: A short hostory of f -expansion. Boston, Docent press, 2016. [10] Karpenkov O. Geometry of continued fractions. Springer, 2013. [11] Kakey S. On the set of partial sums of aninfinite series. Tohoku Sci Rep., (4): 159–163, 1914. [12] Працьовитий М.В. Сингулярнiсть розподiлiв випадкових вели- чин, заданих розподiлами елементiв свого ланцюгового зображе- ння // Укр. мат. журн. — 1996. — 48, № 8. — С.1086-1095. [13] Працьовитий М.В., Кюрчев Д.В. Сингулярнiсть розподiлу випад- кової величини, зображеної ланцюговим A2-дробом з незалежни- ми елементами // Теор. ймов. та мат. стат. — 2009. — 81. — С. 139-154. [14] Pratsiovytyi M., Kyurchev D. Properties of the distribution of the random variable defined by A2-continued fraction with independent elements // Random Oper. Stochastic Equations, 2009, Vol. 17., no. 1. — P.91-101. [15] Albeverio, S., Kulyba, Y., Pratsiovytyi, M. and Torbin, G. (2015), On singularity and fine spectral structure of random continued fractions. Math. Nachr.
id oai:trim.imath.kiev.ua:article-523
institution Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-08-04T01:08:51Z
publishDate 2019
publisher Інститут математики НАН України
record_format ojs
resource_txt_mv trimimathkievua/fd/0bfae13518b0cb324d6d9ea86d0b00fd.pdf
spelling oai:trim.imath.kiev.ua:article-5232023-03-02T07:56:20Z Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом Працьовитий, М. В. Гончаренко, Я. В. Дрозденко, В. О. Let $G_{\mathcal{A}}$ be a set of values of continued fractions whose elements belong to a bounded set $\mathcal{A}$ of positive real numbers. We prove that $G_{\mathcal{A}}$ is a continuum bounded and perfect set. For $\mathcal{A}_3=\{0{,}5; 1; 8\}$, the set $G_{\mathcal{A}}$ is a Cantorval, namely, it is homeomorphic to the set$$E= \{x: x=\sum\limits_{k=1}^{\infty}(\frac{3\alpha_{2k-1}}{4^k}+\frac{2\alpha_{2k}}{4^k}),\alpha_k\in\{0,1\}\},$$where $E$ contains a finite set of intervals whose complements are continuum nowhere dense sets. Доведено, що множина $G_{\mathcal{A}}$ значень ланцюгових дробів, елементи яких належать обмеженій множині $\mathcal{A}$ додатних дійсних чисел є континуальною, обмеженою, досконалою. При $\mathcal{A}_3=\{0,5; 1; 8\}$ вона є канторвалом, а саме множиною, гомеоморфною множині$$E= \{x: x=\sum\limits_{k=1}^{\infty}(\frac{3\alpha_{2k-1}}{4^k}+\frac{2\alpha_{2k}}{4^k}),\alpha_k\in\{0,1\}\},$$яка містить зліченну множину відрізків, доповнення до яких є континуальною ніде не щільною множиною. Інститут математики НАН України 2019-12-30 Article Article application/pdf https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/523 Transactions of Institute of Mathematics, the NAS of Ukraine; Vol. 16 No. 3 (2019): Фрактальний аналіз та суміжні питання; 210-218 Сборник Трудов Института математики НАН Украины; Том 16 № 3 (2019): Фрактальний аналіз та суміжні питання; 210-218 Збірник Праць Інституту математики НАН України; Том 16 № 3 (2019): Фрактальний аналіз та суміжні питання; 210-218 3083-7529 1815-2910 uk https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/523/501 Авторське право (c) 2019 2019 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0
spellingShingle Працьовитий, М. В.
Гончаренко, Я. В.
Дрозденко, В. О.
Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title_full Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title_fullStr Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title_full_unstemmed Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title_short Канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
title_sort канторвали як множини неелементарних ланцюгових дробів з обмеженим алфавітом
url https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/523
work_keys_str_mv AT pracʹovitijmv kantorvaliâkmnožinineelementarnihlancûgovihdrobívzobmeženimalfavítom
AT gončarenkoâv kantorvaliâkmnožinineelementarnihlancûgovihdrobívzobmeženimalfavítom
AT drozdenkovo kantorvaliâkmnožinineelementarnihlancûgovihdrobívzobmeženimalfavítom