C OMPOSITIO M ATHEMATICA
A. K HINTCHINE
Metrische Kettenbruchprobleme
Compositio Mathematica, tome 1 (1935), p. 361-382
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von
A. Khintchine
Moskau
§
1.Einleitung.
Die metrische Theorie der Kettenbrüche ist die Gesamtheit aller
Sâtze,
welche das Maù vonMengen
aller durch eine be- stimmteEigenschaft
ihrerregelmàI3igen
Kettenbruchentwick-lung gekennzeichneten
Irrationalzahlen abzuschâtzen erlauben.Da es sich dabei fast ausschlieI3lich um
Eigenschaften handelt,
für deren Bestehen nur der Rest der
gegebenen
Irrationalzahl modulo 1 vonBelang ist,
wollen wir unsdurchweg
mit Zahlenbefassen,
die zwischen 0 und1 liegen;
dieregelmäßige
Ketten-bruchentwicklung
einer solchen Zahl hat die Gestaltoder,
kürzergeschrieben,
die natürlichen Zahlen ai sind die Teilnenîîer der Kettenbruch-
entwicklung.
Das erste bekannte metrische Problem der Kettenbruchtheorie rührt von Gauß her. Bezeichnet man mit
Zn ( oc)
die Zahl[an+1’ an+2’ ...]
und mitmn(x)
das Mali derMenge derjenigen
zwischen 0 und 1
liegenden
Zahlen ce, für dieist,
sobehauptete Gau13,
einen Beweis für den Grenzwertsatzgefunden
zuhaben 1).
Dieser GauBsche Beweis ist indessen un-bekannt
geblieben;
und viele Jahrzehnte hindurch kannte manauch keinen
anderen,
bis 1928 Kuzmin2 )
die GaußscheBehaup- tung
bewies und dabei auch demRestglied
eine für die weiterenEntwicklungen
äußerstwichtige Abschâtzung gab;
dieWichtig-
keit einer solchen
Abschâtzung
hat Gauù in einem Brief anLaplace betont;
es sollteihm jedoch
nichtgelungen sein,
in dieserRichtung
etwas zu erreichen.Aber noch bevor das Gaußsche Problem
gelôst
war, hat sichdie metrische Theorie der Kettenbrüche ziemlich weit in anderen
Richtungen
entwickelt. Es ist hier vor allem eine Reihe vonUntersuchungen
zuerwähnen,
in denenBorel 3)
das Problemvom wahrscheinlichkeitstheoretischen
Standpunkt angriff,
unddenen sich auch ein bekannter Satz von F. Bernstein
4)
anschlieùt.Diese
Untersuchungen
beruhen auf elementarenAbschätzungen,
die Borel für das 8Iaù der
Menge
E(k)
der Zahlengefunden hat,
die der
Bedingung an
= legenügen.
Es handelt sichhauptsach-
lich um
Aufstellung
solcherasymptotischer
oberer Grenzen derTeilnenner an für n - oo, die fast allen
(allen
mit AusschluI3einer
Menge
vom lklaùeNull)
Irrationalzahleneigentümlich
sind.Die
Untersuchungen gipfeln
im bekannten Satz: ist99(n)
einepositive
zunehmendeFunktio,n,
so ist dieAbschâtzung
fast
überallrichtig
oderfast
überallJ’alsch, je
nachdemkonvergiert
oderdivergiei-t.
In den Jahren 1923-1925 habe
leh 5) einige Abhandlungen verôffentlicht,
in welchen ich dasasymptotische
Verhalteneiniger Mittelbildungen
der Teilnenner zu erforschen suchte. Ich habe1) Fur genauere Angaben vgl. F. URBAN, Grundlagen der Wahrscheinlich-
keitsrechnung (1923), 184 -185. Es ist zu bemerken, daß Gauß seine Behauptung
in wahrscheinlichkeitstheoretischer Form ausgedrückt hat. Auch in den modernen
Untersuchungen wird von der Mehrzahl der Autoren diese Ausdrucksweise benutzt,
so z.B. von Borel und Kuzmin. Ich ziehe es vor, von Mengenmaß statt von Wahr-
scheinlichkeit zu sprechen, da sich diese Ausdrucksweise, wie ich glaube, dem Gegenstand nâher und direkter anpa£3t; eine ’Vahrscheinlichkeitsaussage erhalt
hier nàmlich ihren prâzisen Sinn erst, nachdem sie mittels einer passenden Kon-
vention auf die entsprechende metrische Aussage zurückgeführt wird.
2) Vgl. z.B. seinen KongreBvortrag [Atti del congr. intern. Bologna 1928, 6, 83].
3) Siehe z.B. in Traité du calcul des probabilités, t. II, fasc. I, chap. IV.
4) Math. Ann. 71 (1912), 417.
5) Vgl. z.B. Math. Ann. 92 (1924), 115.
bewiesen,
daß dasgeometrische
Mittel der n ersten Teilnennerfür fast alle Zahlen bei n --> oo beschrânkt
bleibt;
nochpräziser:
es
gibt
eine absoluteKonstante y
von derBeschaffenheit,
daBfast überall
ist. Ferner habe ich
einiges
über das Verhalten der arithmetischen Mittelfestgestellt.
Ich vermutete aber schondamals,
daß fürdiese
Mittelbildungen
vielpràzisere
Gesetzegelten;
nur warendie von mir benutzten Hilfsmittel
unzureichend,
um diese Ver-mutungen
zubegründen.
In den verflossenen zehn Jahren sind aber von zwei verschie- denen Seiten her neue Methoden ersonnen
worden,
welche denProblemkreis mit wesentlich
kräftigeren
Hilfsmitteln anzu-greifen
erlaubten. Es sind dies erstens dieErgebnisse
der Kuzmin- schen Arbeit und zweitenseinige
neueMethoden,
die inzwischen in der Wahrscheinlichkeitstheorie entstanden waren. Diese neuenHilfsmittel
führen,
wie ich in dieserAbhandlung
zuzeigen
be-absichtige,
zu einervollstândigen Lôsung
fast aller in meinen früheren Arbeitenaufgeworfenen Fragen.
Es entsteht dabei eineReihe von metrischen
Sätzen, die,
wenn sie auch nicht sehr tiefliegen,
wie ichglaube, einfach, elegant
und zum Teil unerwarteterscheinen. Es läßt sich z.B.
beweisen,
daù der Ausdruckfast
überall gegen eincgewisse
absolute Konstantekonvergiert,
und âhnllehesgilt
auch von vielen anderen Mit-telbildungen.
§
2.Verallgemeinerung
derAbschiitzungen
von Borel undKuzinin.
Ehe wir zum
eigentlichen
Ziele dervorliegenden Untersuchung übergehen,
müssen wir die elementaren Borelschen Abschät- zungen sowie die von Kuzmin beuTiesene verschârfte Gaul3scheBehauptung
in einergewissen Richtung verallgemeinern.
Wir bezeichnen
allgemein
mitE ’’ 1,
r2 , ... ,n2’ ’ ’ ’’ nk
k dieMenge der
zwischen 0 und 1
gelegenen Zahlen,
die denBedingungen
genügen.
%lE sollallgemein
das lBlaI3 derlBIel1ge E
bedeuten.Die elementare
Grundlage
allerfolgenden Abschatzungell
bildetder
HILFSSATZ I. - Es ist
dabei ist C eine
positive
absoluteKonstante,
und die Zahlen nI’ n2 , ... , nk, nk+1 sind siimtlich voneinander verschieden.VOR,BEMERKUNG: Für den
Fall,
wo nk+lgrößer
alsjedes
ni(1
ik) ist,
hat dieseAbschâtzung
Borelgegeben;
wirbrauchen aber für das
Folgende
denallgemeinen
Fall.BEWEIS : Ist
eine Reihe von t natürlichen
Zahlen,
so setze man für s tDie
Menge .
ist nichts anderes als das Intervall mit denEndpunkten [rI’
r2’...’rj
und[r1, r2’...’ ri+ 1],
die auchin der Form
geschrieben werden
kônnen;folglich
istdaraus
ergibt
sichwo C’ eine
positive
absolute Konstante bedeutet. Damit ist unserHilfssatz für den
Spezialfall bewiesen,
daB dieZahlengruppe
nl, n2 , ... , nk, nk+1, von derReihenfolge abgesehen,
mit dem Abschnitt1, 2, ..., k, k + 1
der natürlichen Zahlenreihe zusammenfâllt. Um daraus einen Beweis für denallgemeinen
Fall zuerhalten,
hatman nur für t die
gr6Bte
der Zahlen ni , n2 , ..., nk, nk+1 zuwâhlen,
s = nk+l zu setzen und die
Ungleichung (1)
über allediejenigen
ri in den Grenzen
( I , oo )
zusummieren,
deren Index i der Zahlen- gruppe n1, n2, ..., nk, nk+I nichtangehôrt.
Nun wenden wir uns zu den Methoden und
Ergebnissen
vonKuzmin. Die in der
Einleitung
erkiârte Funktionmn(x) genügt,
wie es schon Gauß bekannt war, der
Funktionalgleichung
aus der man leicht die Existenz von
m’n(x)
und die Funktional-gleichung
erschlieùt. Der Kuzminsche Beweis der GauBschen
Behauptung
beruht auf
folgendem
Hilfssatz: I steine
Folge
von in(0, 1 ) definierten
reellenFunktionen,
die derFunktionalgleichung
genügen,
und ist imgeschlossenen
Intervall(0, 1 )
so
gilt
daselbstwo und A und « ,nur von .ZB,1
und p
abhiingende positive
Konstanten sind.Setzt man
fn (x)
=m’ n (x),
so istf, (x)
= 1 undfolglich
aIg 2
1und A und a absolut konstant. Aus
(3) ergibt
sich dann durchIntegration
sofort die Gaul3scheBehauptung.
Nun sei eine Reihe von natürlichen Zahlen rI’ r2’ ... , rk
beliebig
aber festgegeben.
Man bezeichne mit9’n(0153)
das MaBder
Menge
der Zahlen oc(0
a1),
die denBedingungen
genügen;
man sieht sofortein,
daß dieFolge
der Funktionender
Funktionalgleichung
genügt;
denn damit Zk+n C xsei,
istnotwendig
undhinreichend,
1 ’1
daC Zk+n-1 zwischen und - eingeschlossen ist,
wo v einev v+x
beliebige
natürliche Zahl bedeutet. Darausfolgt aber,
daß dieFunktionen
cp: (ae)
derFunktionalgleichung (2) genügen.
Es ist aber
qg,(x)
einfach dieLange
des Intervalls mit den End-punkten
und Somithat man
Setzt man
so
genügt
dieFunktionenfolge xn (x )
offenbar ebenfalls derFunktionalgleichung (2);
ferner ist wegen(4)
da bekanntlich
ist. Endlich ist
und
Für 0
ç
x 1 hat man demnachund
Auf die
Folge X’n (x)
kann somit der Kuzminsche Hilfssatz mit absolut konstanten A und ocangewandt
werden(von Wichtig-
keit
ist,
daß A und oc von r1 , r2 , ... , rkunabhângig gewàhlt
werden
kônnen).
Es ist somitworaus nach
Integration
folgt.
Aus der Definition von
pm() folgt
nunoffenbar,
dal3ist.
Wegen (5) ergibt
dasIndem wir diese
Ungleichung
übereinige
von den ri in den Gren-zen
(1, ao j
summieren und dieErgebnisse
miteinanderaddieren,
kommen wir offenbar zu
folgendem
HILFSSATZ 2. - Es
gibt
zweipositive
absolute Konstanten Bund f3
von derBeschaffenheit, daj3 für
nl n2 ... nt C nt+1 undbeliebige
rI’ il ... , r t , rist
6).
6) In wahrscheinlichkeitstheoretischer Fassung bedeutet offenbar dieser Satz, daß die Wahrscheinlichkeit der Gleichung ant+1 = r bei beliebig vorgegebenen
§
3.Mittelbildungen
mit beschriinkten Grenzwerten.Wir wenden uns nun zur
Untersuchung
der verschiedenen Mittelwerte der Teilnenner. Istf(r)
einenichtnegative,
für alleganzen
positiven
Werte desArguments
definierte Funktion von r , so soll uns das Verhalten vonfür
gro13e n beschâftigen.
DieSpezialfalle f(r)
= r bzw.f(r) = lg
rliefern das arithmetische bzw.
geometrische
Mittel der Teil-nenner. Für das erstere wird die
Untersuchung (die
imfolgenden Paragraphen durchgeführt
werdensoll)
dadurch wesentlich er-schwert,
daù der"Erwartungswert" f 1 an drJ..
fürjedes n
unend-o
lich ist. Für das
geometrische
Mittel erhâlt manhingegen
einendgültiges Ergebnis;
wir beweisen namlich denfolgenden
all-gemeinen
SATZ : - Ist
für
r - 00f (r )
=0 (rl (ô
> 0konstant),
soist
fast
überall(Die Konvergenz
der rechtsstehenden Reihe ist natürlich durchf(r) -
0(r’-Ô) gesichert. )
BEWEIS : - Die Funktion
fn(r)
sei durchdefiniert,
und man setzeDer erste Schritt des Beweises wird in einer
Abschàtzung
vonnach oben bestehen. Offenbar ist
an 1 ,an 2 ,...,ant bis auf ein
Restglied von der Ordnung c"
denselbenWert hat wie die unbedingte VVahrscheinlichkeit derselben Gleichung. Mit anderen Worten sind zwei genügend weit voneinander entfernte Teilnenner, als zufällige
Variable aufgefaBt, "fast unabhângig". Auf dieser Quasi-Unabhângigkeit der
Teilnenner beruht die Môglichkeit, aus der W’ahrscheinlichkeitsrechnung stammende
Methoden anzuwenden, wie das in den beiden folgenden Paragraphen tatsâchlich geschieht.
wo
allgemein
gesetzt
ist.Nun hat man für k > i
Hierin ist nach Hilfssatz 1
und nach Hilfssatz 2
da aber nach demselben Hilfssatz
ist,
sofolgt
aus(9)
Indem wir für und für
wenden,
erhalten wir aus(7)
Beachten wir nun, daB einerseits und anderer- seits nach
Voraussetzung
soergibt
sichunterhalb einer
positiven
KonstantenC, liegt, ergibt
sich hierausSomit
folgt
aus(6)
Nachdem diese
Abschâtzung
gewonnenist,
verfahren wirfolgenderweise.
Ist ek dieMenge
der durchcharakterisierten zwischen 0 und 1
liegenden Zahlen,
so ist fürHierin müssen wir das zweite
Integral
rechts nach unten abschät-zen. Im
folgenden
sollen allegestrichenen
Summen über solche Werte von r,, r2, ... , rk erstrecktwerden,
die denBedingungen
7) Cl, C2, ... bedeuten hier und im folgenden positive Konstanten, die hôchstens von der gewâhlten Funktion f(n) abhängen kônnen.
genügen.
Wir habe offenbarNun ist nach Hilfssatz 1
und nach Hilfssatz 2
für j
> kund
und
folglich
Indem wir in
(14)
für dieAbschàtzung (16)
unddie
Abschâtzung (15) benutzen,
erhalten wirWegen (13)
findet man danachNun
ergibt (12)
fürgenügend groBes n
und
folglich
wegen(11)
Nachdem diese
Ungleichung
gewonnenist,
verh,uft der Rest des Beweises ohneSchwierigkeiten 8).
Offenbar istdemnach
ergibt (17)
Da offenbar dieselbe
Abschâtzung
fürfindet man
Daraus
folgt
nunund für m2 > ml
8) Die nâchstfolgende Uberlegung ist einem wahrscheinlichkeitstheoretischen Schlu8 von Kolmogoroff nachgebildet (vgl. C. R. 101 (1930), 910).
Nun ist aber
und
folglich
einerseitsund andererseits die Reihe
konvergent.
Läßt man demnach zunâchst m2 und dann ml unendlich
groB
werden,
sofolgt
wegen der Willkürlichkeit von e
folgt hieraus,
daB fast überallist.
Nun sei
En
dieMenge
der Irrationalzahlen zwischen 0 und 1, welche fürwenigstens
ein k > n derUngleichung
genügen.
Offenbar istund
folglich
Somit bilden die
Zahlen,
die allenEn angehôren,
eine Null-menge ; jede
andere Zahl kann aber nur endlich vielen von denMengen En angehôren.
Sei x eine solcheZahl,
alsofür diese Zahl haben wir
und
folglich
Wegen (18) folgt daraus,
dal3 fast überallist. Endlich ist nach Hilfssatz 1 und Hilfssatz 2
und
folglich
deswegen
ist auchInfolgedessen ergibt (19),
dal3 fast überallist,
womit der Beweis unseres Satzes vollendet ist.Setzt man
f(r)=lgr.,
so erhâlt man insbesondere denn
SATZ: - Das
geometrische
MittelVaa2...
an, der Teilnennerkonvergiert für
n --+ 00fast
überall gegen die absolute Konstante§
4. Das arithmetische Mittel der Teilnenner.Wir wollen nun das Verhalten des arithmetischen Mittel
der Teilnenner für n - oo untersuchen. Es ist von vornherein
klar,
daß wir in diesem Fall kein sopräzises Ergebnis
erhaltenkônnen,
wie es uns im vorstehendenParagraphen
für die daselbstbetrachteten
Mittelbildungen gelungen ist;
man ,veif3 nämlichschon aus den
Untersuchungen
von Borel und F.Bernstein,
daßsogar der limes
superior
vona./n
fast überall unendlichist;
erstn
recht kann
ingefolgedessen S ak/n
hôchstens auf einer Null-k=l
menge einem endlichen Grenzwert zustreben. Andererseits diver-
giert
die imHauptsatz von §
3 rechtsstehende Reihe offenbar imgegenwärtigen
Fall.Es lassen sich
jedoch,
wie nungezeigt
werdensoll,
über dasVerhalten der arithmetischen Mittel ziemlich
präzise Aussagen machen,
diejedenfalls
anGenauigkeit
alles bisher darüber be- kannte wesentlich übertreffen. Der Sinn dieserAussagen
h,uftn
dahin,
daß das arithmetischeMittel L ak/n
der Teilnenner mit nlg n k=1
im Allgemeinen"
wielg n
ins Unendliche wàchst. Was hier die" g
lg 2
Worte
"im Allgemeinen"
bedeutensollen,
erhellt ausfolgender
exakten
Fassung:
SATZ : - I’ür
jedes feste e
> 0 istwo
gesetzt
ist.Der
Quotient
strebt also gegen 1 im Sinne der"MaB- konvergenz" 9).
Von vornherein istklar,
daß dieser Satz nicht dahin verschàrft werdenkann,
daß etwa fast überallwâre ; denn aus den schon erwähnten
Ergebnissen
von Borel undF. Bernstein
folgt
z.B.insbesondere,
daB der limessuperior
vonan/n lg n
fast überall unendlich ist.BEWEIS: - Der Kürze halber bezeichne man für k n mit
9) In diesem Fall wird die wahrscheinlichkeitstheoretische Fassung vielleicht
etwas prägnanter; sie lautet nâmlich: fiir n-> oo strebt das Verhâltnis modo bernoulliano gegen 1; oder: die Wahrscheinlichkeit der Ungleichung
wird, bei jedem 8 > 0, fiir n -- oo unendlich klein.
ek die
Menge
der zwischen 0 und 1gelegenen Irrationalzahlen,
für die
ist,
und setzeEhe wir zur
eigentlichen Beweisführung übergehen,
müssenwir
einige
vorbereitendeAbschâtzungen erbringen.
Wir setzenfür
i, k n, 1 # k
Es
ist,
wenn man mitFn
die zuFn komplementâre Menge bezeichnet,
hierin ist nach Hilfssatz 2 für
für k >
vi;
ist demnach10 )
Andererseits ist nach Hilfssatz 1
nun ist aber
und
folglich
10) In diesem Paragraphen bezeichnen Ci, C2, ... positive absolute Konstanten.
Endlich
gilt
für alle k nDemnach erhâlt man
Ferner ist nach Hilfssatz 1 für alle k n
Endlich müssen wir gik
abschâtzen;
der Bestimmtheit halber sei k> i;
wir habenHierin ist
nun ist für k - i >
V
nach Hilfssatz 2wâhrend für k
v’; jedenfalls
nach Hilfssatz 1ist. Demnach
ergibt (22)
im FallFerner ist
hierin ist nach Hilfssatz 1
und
folglich
wegen
(23)
und(24)
istendlich ist für alle
Nachdem diese
Abschätzungen
gewonnensind, gehen
wir zumBeweise unserer
Behauptung
über. Setzt manso ist
und hierin ist
Andererseits hat man offenbar
und
folglich
Wegen (20 ), (21), (25)
und(26)
erhâlt man danachund somit
womit der Satz bewiesen ist.
KOROLLAR : - Die Reihe
ist
fast
überalldivergent.
Diese Tatsache ist deshalb von
Interesse,
weil über dieseFrage
die bisher bekannten
Ergebnisse
gar nichts vermuten liessen.Nicht nur die
grundlegenden
BorelschenAbschätzungen,
sondernauch die genaueren von mir
gefundenen zeigten
nur, daß sn fastüberall unendlich oft oder hôchstens endlich oft die nichtabneh- mende Funktion
99 (n) übertrifft, je
nachdemdivergiert
oder
konvergiert;
hieraus war aber über das Verhalten der Reihe(30)
nichts zufolgern.
BEWEIS : - Wâre die Reihe
(30)
auf einerMenge
vonposi-
tivem Maù
konvergent,
so müùte sie bekanntlich auch auf einerMenge F, WC F == {3 > 0, gleichmiij3ig konvergieren.
Man hattesomit für alle
genügend groBen
m und alle k > 0wo s eine
beliebig vorgegebene positive
Zahl bedeutet. Nun ist aberoffenbar,
wennMn
dieMenge
der Irrationalzahlenbedeutet,
die die
Ungleichung
erfüllen,
beigenügend
kleinen sund
folglich
nach dem soeben bewiesenen SatzeFolglich
ist fürgenügend grol3es n
und somit
was
bei jedem
m durchgeeignete
Wahl von kbeliebig groB
ge- macht werden kann. Der erhalteneWiderspruch
beweist offen- bar unsereBehauptung.
(Eingegangen den 29. März 1934.)