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神奇的常數e——其超越性的證明

歐拉數e是一個數學常數~2.718,定義如下:

  • 式1:歐拉數e的定義

這個常數是由瑞士數學家雅各布·伯努利發現的。

  • 式2:唯一一個等于它自己的導數的函數。

稱為指數函數,它等于它自己的導數(它是唯一具有這個性質的函數)。

  • 圖1:方程y = 1/x的曲線圖。歐拉數e是使陰影區域面積等于1的唯一數字。

超越數

實數可以是代數的也可以是超越的。根據定義,階數為n的代數滿足具有整數系數的多項式方程,例如:

  • 式::帶積分系數的多項式方程。它由代數數來滿足。

代數數的次數為n的事實意味著x的系數不為零。超越數是不滿足如式3這樣的方程的實數。

e的超越

我們這篇文章的目的是證明e是一個超越數。這個證明的最初版本是由法國數學家查爾斯·埃爾米特提供的,但是這里給出的版本是由德國數學家大衛·希爾伯特簡化的版本。

  • 圖2:法國數學家查爾斯·埃爾米特和德國數學家大衛·希爾伯特。

我們首先假設與我們要證明的相反,即e是n次的代數數:

  • 式4:如果e是n次的代數數,它滿足這個方程,其中第一個系數和最后一個系數為a,且非零。

我們開始用有理數來逼近e的冪。我們定義了以下對象:

  • 式5:用有理數逼近e的冪。

這里

  • 對于等式5中e的每個冪,我們有:

  • 對于很小的方程意味著所有e^t非常接近有理數。現在我們將式5代入式4,并消去因子m,我們得到:

  • 式6:將式(5)代入式(4)的結果

注意,式(4)和式(6)中的n是相同的量。式 6有兩個明顯的特點:

第一個括號內的表達式是整數,并且選擇M使得表達式不為零在第二個表達式中,將選擇,使其足夠小,以使表達式的絕對值<1

  • 式7:式6第二項的性質。

我們的證明將包括證明式6不可能是正確的,它構成了一個矛盾。發生這種情況是因為非零整數和絕對值<1的表達式的和不會消失。

定義M和

埃爾米特通過定義M和開始,首先,他將M定義為:

  • 8:定義M的積分。

這里p被選為質數,以后再確定。' p可以看作是我們想要一樣大(但M將任何值的整數p)。其他的M和被定義為:

  • 式9

現在我們通過選擇p來滿足上面的性質1和2。

我們先求積分M,把分子中的二項式乘出來,我們可以得到下面的等式:

  • 式10:將等式兩邊的二項式相乘

具有積分系數。將此替換為M并使用:

方程11:階乘m的積分表達式。我們得到

  • 式12

將自己限制為大于n的素數,我們立即看到該方程式的第一項不能被p整除。但是,我們可以很快看到第二個項可以。擴展階乘:

  • 式13:方程12的第二項可以被p整除。

因為M不能被p整除,所以方程6的第一個括號也不能被p整除。引入變量y:

積分就變成:

分子括號內的多項式有整項系數

經過幾個步驟,我們得到:

對于整數cs(其中使用了式 11)。每一個M(k)是能被p整除的整數,所以式6的第一個括號不能被p整除。因此,我們得出結論,式6的第一個括號中的項是一個非零整數。如果它是0,它可以被p整除,我們得出結論是:它不是0。

最后一部分是證明如果我們選擇一個足夠大的p值,則式7是正確的。使用式 9,經過幾個步驟,我們發現:

如果這個二項式乘積的絕對值對于x∈[0,n]有一個上界B,則有:

當p→∞時,RHS→0,證明成立。

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