Bevis på, at π er irrationel

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 14. februar 2021; checks kræver 6 redigeringer .

I 1760'erne beviste Johann Heinrich Lambert , at tallet π er irrationelt , det vil sige, at det ikke kan repræsenteres ved a / b , hvor a  er et heltal, og b  er et naturligt tal. I det 19. århundrede fandt Charles Hermite endnu et bevis ved kun at bruge de grundlæggende redskaber til calculus . Fremover var Mary Cartwright , Ivan Niven og Nicola Bourbaki i stand til at forenkle Hermites bevis, mens Miklós Lackowicz forenklede Lamberts bevis.

I 1882 beviste Ferdinand von Lindemann , at π ikke kun er irrationel, men også transcendental . [en]

Lamberts bevis

I 1761 beviste Lambert irrationaliteten af ​​π, baseret på den fortsatte brøkrepræsentation, han fandt for tangenten :

Lambert beviste, at hvis x er ikke-nul og rationel, så er dette udtryk irrationelt. Da tg(π/4) = 1, følger det, at π/4 er irrationel, og derfor er π også irrationel. [2]

En forenkling af Lamberts bevis blev leveret af Miklós Lackowicz, se nedenfor.

Hermites bevis

Dette bevis bruger det faktum, at π er det mindste positive tal, hvoraf halvdelen er nul cosinus, hvilket beviser, at π 2 er irrationel . [3] [4] Som med mange beviser for et tals irrationalitet, er dette et modsigelsesbevis .

Overvej rækkefølgen af ​​funktionerne A n og U n fra til for givet ved formlen:

Ved induktion kan vi bevise

og derfor:

Hvor

hvilket svarer til

Ved hjælp af definitionen af ​​funktioner kan det ved induktion vises, at

hvor P n og Q n  er polynomielle funktioner med heltalskoefficienter, er graden af ​​P n mindre end eller lig med ⌊ n /2⌋. Især A n (π/2)= Р n (π 2/4 ) .

Hermite udledte også et lukket udtryk for funktionen A n , nemlig

Han underbyggede ikke denne ligestilling, men det er let at bevise. Først og fremmest svarer denne erklæring til

Argumentation ved induktion, for n=0 .

og, for induktionstrinnet, overvej en vilkårlig . Hvis en

så ved at bruge integration by parts og Leibniz' regel kan man få

Hvis π 2 /4 = p/q , hvor p og q er fra , da koefficienterne for P n er heltal og dens grad er mindre end eller lig med ⌊ n /2⌋, q ⌊n/2⌋ P n ( π 2 /4) er et helt tal N. Med andre ord,

Men dette tal er åbenbart større end 0. På den anden side er grænsen for denne størrelse, når n går til det uendelige, lig med nul, og derfor, hvis n er stor nok, N < 1. Dermed nås en modsigelse .

Hermite søgte ikke at bevise præcist irrationaliteten af ​​π, dette var en sidekonklusion i søgen efter bevis for transcendensen af ​​π. Han overvejede gentagelsesforhold for at opnå en bekvem integreret repræsentation. Efter at have opnået en integreret repræsentation, er det muligt at finde flere kortfattede og selvforsynende beviser (som i repræsentationerne af Cartwright, Bourbaki eller Niven), som Hermite bemærkede (det gjorde han netop i sit bevis for transcendensen af ​​e [5] ).

Hermites bevis er tæt på Lamberts: A n ( x ) er "resten" af Lamberts fortsatte brøk for tg( x ).

Cartwrights bevis

Harold Jeffreys skrev, at Mary Cartwright gav dette bevis som et eksempel ved en eksamen ved Cambridge University i 1945, men hun identificerede ikke dets oprindelse. [6]

Overvej integralerne

hvor n  er et ikke-negativt heltal.

To integrationer efter dele giver gentagelsesrelationen

Betegner

vi får

Da J 0 ( x ) = 2sin( x ) og J 1 ( x ) = −4 x  cos( x ) + 4sin( x ), derfor for alle n ∈ Z + ,

hvor P n ( x ) og Q n ( x ) er polynomier af grad ≤ n med heltalskoefficienter .

Tag x  = π/2 og antag, at π/2 = a/ b , hvor a og b  er naturlige tal (det vil sige antag, at π er rationel). Derefter

Højre side er et heltal. Men 0 <  I n (π/2) < 2, da længden af ​​intervallet [−1, 1] er lig med 2 og den integrerbare funktion tager værdier fra 0 til 1. På den anden side,

Derfor, for tilstrækkelig stor n

det vil sige, at der er et heltal mellem 0 og 1. Denne modsigelse følger af antagelsen om, at π er rationel.

Dette bevis ligner Hermites bevis. Ja,

Det er dog åbenbart nemmere. Dette opnås ved at eliminere den induktive definition af funktionerne A n og ved at tage udgangspunkt i deres udtryk som et integral.

Nivens bevis

Dette bevis bruger det faktum, at π er det mindste positive nul af sinus . [7]

Antag, at π er rationel, dvs. π = a  / b for nogle heltal a og b ≠ 0 , som uden tab af generalitet kan anses for at være positive. For ethvert positivt heltal n definerer vi en polynomisk funktion:

og for enhver x ∈ ℝ vi sætter

Udsagn 1: F (0) + F (π) er et heltal.

Bevis: Lad os repræsentere f som summen af ​​potenser af x , så er koefficienten x k et tal på formen c k  / n ! , hvor c k  er et heltal lig med 0 for k < n . Derfor er f  ( k ) (0) = 0 for k < n og er lig med ( k !/ n !)  c k for n ≤ k ≤ 2 n ; i alle tilfælde er f  ( k ) (0)  et heltal, og derfor er F (0) også et heltal.

På den anden side er f (π – x ) = f ( x ) og dermed (–1) k f  ( k ) (π – x ) = f  ( k ) ( x ) for ethvert ikke-negativt heltal k . Især (–1) k f  ( k ) (π) = f  ( k ) (0). Derfor er f  ( k ) (π) også et heltal, så F (π) er et heltal (faktisk er det nemt at se, at F (π) = F (0), men dette er ikke relevant for beviset ). Da F (0) og F (π) er heltal, er deres sum også det.

Udsagn 2:

Bevis: Da f  (2 n  + 2) er et nulpolynomium, er det sandt

De afledte funktioner af sinus og cosinus er defineret af formlerne sin' = cos og cos' = −sin. Derfor efter produktreglen

Ifølge analysens hovedsætning

Fra det faktum, at sin 0 \u003d sin π \u003d 0 og cos 0 \u003d - cos π \u003d 1 (her den ovennævnte karakteristik π som nul af sinus bruges), følger udsagn 2.

Konklusion: da f ( x ) > 0 og sin x > 0 for 0 < x < π (da π er det mindste positive nul af sinusen), indebærer udsagn 1 og 2, at F (0) + F (π) er positive helt tal. Da 0 ≤ x ( a – bx ) ≤ π a og 0 ≤ sin x ≤ 1 for 0 ≤ x ≤ π , indebærer definitionen af ​​f

hvilket er mindre end 1 for stort  n , derfor F (0) + F (π) < 1 for disse n ved påstand 2. Dette er ikke muligt for det naturlige tal F (0) + F (π) .

Ovenstående bevis giver, uden at ty til komplicerede beregninger, en elegant analyse af formlen

som opnås ved 2 n + 2 integrationer af dele . Udsagn 2 udleder i det væsentlige denne formel, brugen af ​​F skjuler den gentagne integration af dele. Det sidste integral forsvinder, fordi f  (2 n  + 2) er et nulpolynomium. Udsagn 1 viser, at den resterende sum er et heltal.

Nivens bevis er tættere på Cartwrights (og dermed Hermites) end det umiddelbart ser ud til. Ægte ligestilling

Derfor omdanner substitutionen xz = y dette integral til

I særdeleshed,

Beviserne ligner også, at Hermite allerede nævnte [3] , at hvis f er en polynomisk funktion og

derefter

hvorfra det følger

Bourbakis bevis

Bourbakis bevis er præsenteret som en øvelse i hans arbejde med analyse . [8] For ethvert naturligt tal b og ikke-negativt heltal n ,

Da A n ( b ) er integralet af en funktion defineret på [0, π] og antager værdien 0 ved 0 og π og større end 0 på andre punkter, så er A n ( b ) > 0. Også for evt. naturligt tal b , A n ( b ) < 1 for tilstrækkeligt stort n er stort nok fordi

og derfor

På den anden side fører rekursiv integration af dele til den konklusion, at hvis a og b er naturlige tal, således at π = a / b og f  er en polynomiel funktion fra [0, π] til R, defineret af formlen

derefter

Dette integral er 0, da f ( 2n +1) er en nulfunktion (fordi f er et polynomium af grad 2n ). Da enhver funktion f ( k ) ( 0 ≤ k ≤ 2 n ) tager heltalsværdier ved 0 og ved π, og det samme gælder for sinus og cosinus, beviser dette, at A n ( b ) er et heltal. Da det også er større end 0, skal det være et naturligt tal. Men det er også blevet bevist, at A n ( b ) < 1 for tilstrækkelig stor n , hvilket fører til en modsigelse .

Dette bevis er ret tæt på Nivens bevis, hovedforskellen mellem dem er beviset for, at tallene A n ( b ) er heltal.

Lackovichs bevis

Miklós Lackowicz ' bevis er en forenkling af Lamberts bevis. [9]

Overvej funktionerne

Disse funktioner er defineret for alle x ∈ R. Ligestillinger er sande

Udsagn 1. Følgende gentagelsesrelation er sand  :

Bevis: Bevist ved at sammenligne potenskoefficienterne af x .

Udsagn 2: for enhver x ∈ R ,

Bevis: Sekvensen x 2 n / n ! er afgrænset (da den konvergerer til 0), og hvis C er dens øvre grænse, og hvis k > 1

Udsagn 3: hvis x ≠ 0 og hvis x 2 er rationel, så

Bevis: Ellers ville der være et tal y ≠ 0 og heltal a og b , således at f k ( x ) =  ay og f k  + 1 ( x ) =  ved . For at forstå hvorfor det er sådan, lad os sætte y  =  f k  + 1 ( x ), a  = 0 og b  = 1, når f k ( x ) = 0; ellers skal du vælge heltal a og b sådan at f k  + 1 ( x )/ f k ( x ) =  b / a og definere y  =  f k ( x )/ a  =  f k  + 1 ( x )/ b . I alle tilfælde er y ikke lig med 0, for ellers følger det af Udsagn 1, at alle f k + n (x) = 0 ( n  ∈  N ), hvilket ville modsige Udsagn. 2. Tag nu et naturligt tal c , således at alle tre tal bc / k , ck / x 2 og c / x 2 er heltal, og overvej rækkefølgen

Hvor

På den anden side indebærer udsagn 1

som er en lineær kombination af g n + 1 og g n med heltalskoefficienter. Derfor er alle g n heltalsmultipla af y . Desuden fra utv. 2, at alle g n er større end 0 (og dermed g n  ≥ | y |) for tilstrækkelig stor n , og at sekvensen g n konvergerer til 0. Men talfølgen afgrænset nedefra | ved | kan ikke konvergere til 0.

Da f 1/2 (π/4) = cos(π/2) = 0, fra påstand. 3 følger det, at π 2 /16 er et irrationelt tal, og derfor er π også irrationelt.

På den anden side siden

fra godkendt. 3 antyder også, at tg(x) er irrationel for x  ∈  Q  \ {0}.

Lachkovics bevis handler i virkeligheden om hypergeometriske funktioner . Ligheden f k ( x ) =  0 F 1 ( k ; − x 2 ) er sand, desuden kan den hypergeometriske funktion repræsenteres som en fortsat brøk, som blev etableret af Gauss ved hjælp af dens funktionelle ligning . Dette gjorde det muligt for Lachkovic at finde et nyt og enklere bevis på, at tangenten kunne udtrykkes som en fortsat brøk, opdaget af Lambert.

Lachkovics resultat kan også udtrykkes i termer af Bessel-funktioner af den første slags J ν ( x ) . Da Γ ( k ) J k  − 1 (2 x ) = x k  − 1 f k ( x ), er Lachkovic-sætningen ækvivalent med følgende: hvis x ≠ 0, og hvis x 2 er rationel, så

Se også

Noter

  1. Lindemann, Ferdinand von (2004), Ueber die Zahl π, i Berggren, Lennart; Borwein, Jonathan M. & Borwein, Peter B. , Pi, en kildebog (3. udgave), New York: Springer-Verlag , s. 194-225, ISBN 0-387-20571-3 
  2. Lambert, Johann Heinrich (2004), Mémoire sur quelques propriétés remarquables des quantités transcendantes circulaires et logaritmiques, i Berggren, Lennart; Borwein, Jonathan M. & Borwein, Peter B. , Pi, en kildebog (3. udgave), New York: Springer-Verlag , s. 129-140, ISBN 0-387-20571-3 
  3. 12 Hermite , Charles Extrait d'une lettre af Monsieur Ch. Hermite à Monsieur Paul Gordan  (fr.)  // Journal für die reine und angewandte Mathematik  : magazine. - 1873. - Bd. 76 . - S. 303-311 .
  4. Hermite, Charles Extrait d'une lettre af Mr. Ch. Hermite og Mr. Carl Borchardt  (fr.)  // Journal für die reine und angewandte Mathematik  : magazine. - 1873. - Bd. 76 . - S. 342-344 .
  5. Hermite, Charles. Sur la fonction exponentielle // Œuvres de Charles Hermite  (fr.) . - Gauthier-Villars, 1912. - S. 150-181.
  6. Jeffreys, Harold (1973), Scientific Inference (3. udgave), Cambridge University Press, s. 268 , ISBN 0-521-08446-6 , < https://archive.org/details/scientificinfere0000jeff/page/268 > 
  7. Niven, Ivan (1947), Et simpelt bevis på, at π er irrationel , s. 509 , < http://www.ams.org/bull/1947-53-06/S0002-9904-1947-08821-2/S0002-9904-1947-08821-2.pdf > Arkiveret 4. januar 2010 på Wayback Maskine 
  8. Bourbaki, Nicolas (1949), Fonctions d'une variable réelle, kap. I–II–III , bind. 1074, Actualités Scientifiques et Industrielles, Hermann , s. 137-138 
  9. Laczkovich, Miklós (1997), Om Lamberts bevis for irrationaliteten af ​​π , American Mathematical Monthly bind 104 (5): 439–443 , DOI 10.2307/2974737