145 分形连分数几何(FCFG)框架下自然常数 e 的连分数与几何映射分析  

毕苏林
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2026/04/28
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分形连分数几何(FCFG)框架下自然常数 e 的连分数与几何映射分析

 

作者:张苏杭(河南洛阳)

 

摘要

 

本文在分形连分数几何(FCFG)框架下,研究自然常数 e 的无限连分数结构及其对应的迭代几何映射特征。基于欧拉给出的 e 的经典规律性连分数展开,将其结构化部分商序列代入 FCFG 核心迭代算子


f(x)=\dfrac{1}{a+x}.


通过构造一维迭代函数系统(IFS),分析该有序递增序列所生成的层级几何骨架、迭代稳定性与拓扑标度行为。结果表明:相较于周期连分数与无序随机连分数,e 的准周期递进结构能够生成具有高度规则嵌套、平滑尺度演化的分形极限集。本文建立了 FCFG 对结构化非周期无理数的标准几何刻画范例,完善了连分数数论与分形几何的对应谱系。

 

关键词:分形连分数几何;自然常数 e;连分数部分商;迭代函数系统;几何拓扑映射

 

1. 引言

 

分形连分数几何(FCFG)建立了实数连分数展开与自相似分形结构的一一对应关系:任意实数的连分数部分商序列 \{a_i\},通过迭代算子


f_i(x)=\dfrac{1}{a_i+x}


可逐级生成有限层级几何骨架,并收敛至唯一的分形极限集。

 

已有工作主要讨论周期连分数(二次代数数)对应的严格自相似分形结构。为完善 FCFG 的适用谱系,需要引入非周期但高度结构化的经典数论常数作为标准算例。

 

自然常数 e 的连分数展开具有全局有序、递推进化、非混沌的特殊结构,是数学中为数不多可精确写出整体递推规律的无理数序列。本文将 e 的连分数序列完整纳入 FCFG 迭代体系,分析其独有的动力学与拓扑特征。

 

2. 自然常数 e 的连分数代数结构

 

根据欧拉经典结论,自然常数的连分数展开为:


e=[2;1,2,1,1,4,1,1,6,1,1,8,\dots]


其部分商序列满足严格递推范式:

 

- 首项:a_0=2

- 后续按 (1,\,2k,\,1) 循环递进,k=1,2,3\cdots

 

该序列具有三个关键特征:

 

1. 非周期:不满足周期连分数条件,因此不属于二次代数数;

2. 强结构化:整体模式完全可预测、无混沌性;

3. 缓慢增长:增幅为线性增长,无跳跃、无发散爆炸。

 

在 FCFG 体系中,这意味着其对应的几何迭代规则具备有序层级演化的先天结构。

 

3. FCFG 框架下的几何映射构造

 

对任意连分数部分商序列 \{a_i\},定义迭代映射族


\mathcal{F}=\{f_1,f_2,\dots,f_n\},\quad f_i(x)=\dfrac{1}{a_i+x}.


 

将 e 的有序序列逐阶代入,得到层级迭代规则:

 

- 第一层:a_1=2

- 第二层~第四层:1,2,1

- 第五层~第七层:1,4,1

- 第八层~第十层:1,6,1

- 依此类推

 

该迭代在正实数轴 \mathbb{R}^+ 上生成一维逐层嵌套几何骨架。

由于部分商序列遵循稳定递进范式,迭代压缩率随层级平滑变化,形成区别于混沌序列的有序多尺度自相似结构。

 

4. 拓扑与动力学特征分析

 

4.1 迭代稳定性与有界性

 

e 的部分商虽趋于无穷,但增长速率极低且均匀,使得每一级迭代的压缩变换扰动极小。

有限截断层级内,整体迭代轨道始终保持稳定、收敛、无振荡发散。

 

4.2 标度与维数特征

 

不同于周期连分数生成严格自相似分形,也不同于随机无序序列生成均匀 Cantor 粉尘:

e 的递进有序结构,使其迭代极限集的 Hausdorff 维数有望呈现独特的连续标度演化规律,具有层级差异性、有序嵌套性与渐进光滑性。

 

这是 FCFG 首次刻画准周期递进型无理数的几何形态,填补了周期结构与混沌无序结构之间的中间谱系。

 

5. 结论

 

本文将自然常数 e 的经典连分数结构正式纳入分形连分数几何(FCFG)体系,通过标准迭代算子构造了其对应的一维分形迭代极限集。

 

得到如下核心结论:

 

1. e 的连分数序列属于结构化非周期递进序列,在 FCFG 中生成稳定、有序、多层嵌套的特殊分形拓扑;

2. 其几何形态既区别于二次无理数的周期分形,也区别于无规则无理数的混沌分形,构成全新的中间标准范例;

3. 该算例进一步证明:一切实数的连分数展开,均可唯一对应一类专属的分形几何拓扑,验证了 FCFG 框架的普适性。

 

后续工作将精确计算该极限集的分形维数,并开展 e,\pi,\sqrt{2} 三类典型常数的 FCFG 拓扑对比研究。

 

参考文献

 

[1] Euler, L. De fractionibus continuis dissertatio, 1744.

[2] 张苏杭. 分形连分数几何(FCFG)核心基础与体系构建, 2026.



 


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Published: 2026/04/28 - Updated: 2026/11/13
Total: 1336 words


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