世界上最短的數學論文系列:僅用半頁紙證明π是無理數

無理數是很有趣的,小數點一直延續下去,但是整個數總是小於一個固定值,這不是很尷尬嗎?更令人驚訝的是,這些數字是如何與畫在一個平面上的圓聯絡在一起的,是的,我說的就是π。這裡我們將用半頁紙來證明這個數字π的無理性。

幾千年來,人類文明就已經知道π及其與周長和圓面積的關係;儘管π的估算從3到3。12再到3。14等等,但它的無理性卻只有約翰·海因裡希·蘭伯特發現並證明了-(德語:[lambt],法語:讓-亨利·蘭伯特;1728年8月26日至1777年9月25日),他是1760年的瑞士博物學家,後來被其他著名的數學家如厄米特、卡特萊特、布林巴基和拉茨科維奇所研究。

然而,當這些證明被認為是高水平的數學時,Ivan Niven博士的一篇論文用簡單易懂的工具,用古老的矛盾方法將其縮短在半頁紙裡,讓我們來看看。

首先考慮π是有理數,π可表示為π = a/b,其中a和b為整數且b≠0。讓我們再考慮一個函式:

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我們可以將n從1變換到任意數n,得到一個多項式F(x):

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現在,回到f(x),很明顯當n!與f(x)相乘,分母為1,因此對於任意x, f(x)的結果是一個整數。所以

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現在,如果你考慮右邊,(a -b。x)^n中x的最低次冪是0,在a^n中,當它乘以x^n時,結果中x的最低次冪是n,最高次冪是n+n = 2n。

如果對f(x)求導,當x = 0或(a - b。x) = 0 => x = a/b = π(如前所述)時,結果總是0,因為分子中所有項都有x。現在我們對(F ‘ (x) sin x - F(x) cos x})關於x求導。

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經過一些簡化,我們得到的結果是:這裡將把它作為一個有趣而簡單的題目留給大家。

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你可能知道,積分是微分的逆運算,反之亦然。因此,如果對f(x) sin x積分,也就是對{f ’ (x) sin x - f(x) cos x}求導後的結果,我們得到的結果是{f ‘ (x) sin x - f(x) cos x} !在0到π的範圍內積分相同,我們得到:

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在此,π= a / b。如前所述,F(π)+ F(0)是一個整數,可以任意次數地將f(x)微分,因為x = a / b =π和x = 0的結果是整數。

但由於f(x)是一個多項式函式,當0 < x < π時,f(x)。 sinx的最小值為0,而x的值為f(x)。透過對sinx = 0求導可以得到sinx = 0的最大值,接下來如果將值代入,就得到了該函式值在上述極限中的一個上界。

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很好,所以這個積分是正的,但是對於一個非常大的n它就不成立了,當n的值更大時,它的上界趨向於0。

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換句話說,對於n的任意值的積分在n的更大值處斷開,所以有兩種可能性,要麼是積分過程出錯,要麼是π不能寫成a/b。但如果你用多種方法來驗證積分過程,結果總是一樣的,要麼就是π≠a/b,要麼就是π無理數!

雖然現在有許多人已經記住了成千上萬個π的數字,但只有少數人知道如何證明它的無理性。儘管有很多對π無理性的證明,甚至有一個從未存在過的法國數學家布林巴基的證明,但伊凡·尼文的證明碰巧是最簡潔的。

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