与数学有关的趣味故事：给你一个数，看到哪个数，你会觉得最孤独？
给你一个数，看到哪个数，你会觉得最孤独？阿尔法趣味数学网今天带来的与数学有关的趣味故事：给你一个数，看到哪个数，你会觉得最孤独？。
每天10分钟头脑大风暴，开发智力，培养探索能力，让你成为学习小天才。
故事适合年级：小学四年级及以上
【给你一个数，看到哪个数，你会觉得最孤独？】趣味小故事：
有人会说是1，因为它孤身一人。有人会说是0，因为它没有任何存在感。有人会说是214，有人会说是419（咦）。这些都是字面上的直接联想，因人而异，很难说哪个比哪个更加孤独。
然而对一个学过数学的人来说，确实存在一个最“孤独”的数。这个数就是所谓的黄金分割率φ。许多人说它是最美的数，美不美这种事情是一个主观概念——但我们能从数学上证明，它是最“无理”的数，最难以接近的数，因而在这个意义上，是最孤独的数。
越走越近，却永远不能在一起
一个无理（irrational）数有很多种表现方式。我们最熟悉的是无限不循环小数的形式，每多写下一位数，就是用一个更加精确的有理（rational）数去逼近它。当然，这个过程永远到不了尽头。
但是无理数也可以用分数的形式表现，只不过这个分数也是无穷无尽的——这就需要“连分数”。不要怕，这里的全部数学只是加减乘除和通分，不超过小学五年级。
先用一个有理数作为例子：1024/137，约等于7.47445255。
第一级近似：7，于是它变成了 7 + 65/137。
第二级近似：把第一级留下的分数倒过来，137/65 近似是2，于是它变成了 2 + 7/65，于是开始的那个数字就变成了 7 + 1 / ( 2 + 7/65 )。
第三级近似：对7/65进行类似处理，以此类推。
最后得到的结果是
或者，省去那些多余的1，可以表达为 [7; 2, 9, 3, 2]。
能够证明，每一个有限的连分数都代表一个有理数，而每一个有理数能且只能表示成两种形式的连分数（要求第一个系数是整数，剩下的全是正整数）。比如上面那个数也可以表示为 [7; 2, 9, 3, 1, 1]。除这两种之外再没有别的写法了。
同样的步骤完全适用于无理数，但这时得到的连分式就会一直延续下去。比如，π的连分式可以表示为
或者用简化的表达式：[3; 7, 15, 1, 292, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 14, 2, 1, 1, 2, 2, 2, ...]。这个数列在“整数数列线上大全”（OEIS）中的编号是A001203。
一步一米，或者一步十年
使用连分数来逼近，就会遇到一个“逼近速度”的问题：每前进一步，近似值向精确值靠近了多少呢？
回到π的例子。我们先看第一位近似——7。忽略后面剩下的：
π ≈ 3 + 1/7= 22/7 ≈ 3.142...
熟悉吗？这就是当年祖冲之发现的“约率”。
如果接下来看到第三位近似:
π ≈ 3 + 1 / ( 7 + 1 / （15 + 1） )=3 + 1 / ( 113 / 16 )= 355/113 ≈ 3.1415929...
也即祖冲之的“密率”。二者都是对π的极好的近似。
这就是连分数的一个神奇属性：当你得到一个连分数后，你就自动获得了“最快”的逼近精确值的方式。这有点违反直觉——当你用7作为分母的时候，最小的单位就是1/7，那么误差范围应该是1/14以内吧？实际上，使用连分数获得的误差范围不是1/14以内，而是1/49以内！ 22/7 - π ≈ 0.0126 < (1/7)^2。
更一般地，假如一个无理数α，它的某一步连分式展开后变成了 p / q 的形式，那么一定有
| α - p/q | < 1 / q^2
而且， 这一定是当前最好的精确值，任何比它更精确的分式都一定需要更大的分母。π的前三级展开，分别是 22/7、333/106、355/113；你在1-6的范围内一定找不到比7更好的，1-112的范围内一定找不到比113更好的。但是，7却比8、9、10……都要好。因此可以说，连分数在某种意义上揭示了一个无理数的深层结构。
那么回到我们开始的问题。最快的逼近速度有多快？从上面的公式可以看出来，这完全取决于连分式里具体的每个数——数字越大逼近越快，数字越小逼近越慢。祖冲之能发现约率和密率，部分原因是因为他运气好，π开头的这俩数正好都不小，所以能给出很漂亮的逼近。
而最小的正整数，当然就是1了。
更多关于小学生趣味数学故事的文章，请关注微信公众号：xiawuyouke 或者 下午有课。
阿尔法趣味数学小课堂：
【给你一个数，看到哪个数，你会觉得最孤独？】数学知识点：趣味数字，黄金分割，孤独数
版权说明：部分图片来源于网络，转载请注明阿尔法趣味数学网（www.allfloor.org）！
2、回复 “102”免费领取《【记忆力教程】快速高效学习教程》
3、回复 “103”免费领取《一分钟速算教程》
4、回复 “104”免费领取《Top 32经典英文启蒙绘本PDF+MP3》
5、回复 “105”免费领取《儿童英语绘本195本【PDF版】》
6、回复 “106、107、108”免费领取《更多神秘礼物……》
发表评论