證明e是超越數:e不是任何整數系一元二次方程的解

2020-12-13 電子通信和數學

前面已經了解了e是無理數,但同時e又是超越數,那什麼是超越數呢?

超越數是不能滿足任何整係數代數方程的實數(不是任何整數系方程的根),對於證明超越數是相當複雜,所以本期將分成4個部分來來證明:《e不是任何整數系一元二次方程的解》《e與一元三次方程的解的關係》但為了證明e不是任何整數系一元三次方程的解,有必須了解《e與伽馬函數的關係》最終得出《e不是任何整數系一元三次方程的解》,最終得到e不是任何整係數代數方程的解,也就得到e是超越數

前面《e是無理數最優美的證明方法》已經得出e的無窮級數可以寫成整數之比加上一個很小的數,由此得出e是無理數,也就不能寫成兩個整數之比。

我們知道線性方程是如下形式,a,b是整數,所以得到

因為e不是有理數,等同於e不是任何非平凡整數系線性方程的解,這裡的非平凡理解為a,b均不等於0。

那e是不是非平凡整數系(係數均不等於0)一元二次方程式的解呢,我們先想想根號2,雖然是無理數,但它也是一個很簡單的二次方程的根

我們要證明e比根號2還要無理。我們要怎麼證明這個二次等式不成立呢

我們還是運用反正法,假設e是一元二次方程的根,

變形整理得到

回到文章開頭,m越大,右邊那個分數就越小

我們都知道e^x的無窮級數,所以1/e的無窮級數就是

同理,運用類似的方法,1/e也可以寫成一個分數+一個小數形式

將e和1/e的等式帶進去

得到

兩邊乘以m!整理得到

所以最終就寫成了:整數+a*小數+c*小數=整數

如果m很大,則括號內的數就會越小,最終小於1,但它是否等於0呢,如果等於0,上述等式就是成立的,我們就製造不出矛盾了。聰明的夥伴們也許動動腦動動手就知道,無論m有多麼大,括號內有多麼小,括號內的始終不會等於0。(留給讀者自己證明),這與假設矛盾,上述等式不成立。

所以我們得到e不是非平凡整數系(係數均不等於0的整數)一元二次方程式的解。

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