神奇的常數e——其超越性的證明

2020-12-14 老胡說科學

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:唯一一個等於它自己的導數的函數。稱為指數函數,它等於它自己的導數(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於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係數的多項式方程,例如:

式::帶積分係數的多項式方程。它由代數數來滿足。代數數的次數為n的事實意味著x的係數不為零。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,但是這裡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,其中第一個係數和最後一個係數為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。這裡

對於等式5中e的每個冪,我們有:

對於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,並消去因子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,並且選擇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:

式8:定義M的積分。這裡p被選為質數,以後再確定。' 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係數。將此替換為M並使用:

方程11:階乘m的積分表達式。我們得到

式12將自己限制為大於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係數

經過幾個步驟,我們得到:

對於整數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。

最後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於x∈[0,n]有一個上界B,則有

當p→∞時,RHS→0,證明成立。

相關焦點

  • 證明e是超越數:e與一元三次方程的根的關係
    為了證明e不是超越數,上一篇文章《證明e是超越數:e不是任何整數系一元二次方程的解》討論得出: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,那e是否是一元三次方程的解呢?同樣我們繼續使用反正法,假設e就是一元三次整數系(係數均為整數)方程的解。這其實是可能的,只要讓所有係數變成0就行了,但這是毫無意義的,所以為了防止這種情況的發生,我們要求常數a不等於0,現在我們要開始證明e不是這個三次方程的根,聰明的夥伴們,應該會明白我們這裡的操作能推廣到任意次數多項式。
  • 證明e是超越數的前奏:e在一元三次方程中的情形
    早期的文章僅用e的無窮級數形式,證明了e是無理數,既簡單又直觀,但對於證明e是超越數是非常的複雜和困難的,首次證明e的超越性是由法國大數學家既然是證明它的超越性,超越數顯著的特點就是它不是任意整係數代數方程的根,我們看帶入一元二次方程(早期的文章有更詳細的闡述和證明)化簡,最終得到整數+小數=整數的結論,這是不可能的,所以e不是任意任意整係數一元二次方程的根(INTEGER--整數。
  • 神奇的常數e的由來
    我們知道圓周率π代表了圓的周長與直徑之比約等於3.14,可是數學中的常數e怎麼來的,它的含義是什麼呢?在18世紀初,數學家歐拉發現了這個自然常數e。2.71828182845904523,這就是描述增長率的自然常量 e 來歷。在微積分教程中有具體的計算過程,用到了二項式展開,以及極限的概念等。這個單調增加的有界數列必有極限,這個極限就為e。d
  • 從商學角度探討自然常數e
    然而,還有一個接近人們生活的數,那就是自然常數e(mathematical constant)。它是一個數學中的無理實數,約等於2.718281828。(計算器就到這了)但是,自然常數e為什麼自然?為什麼一個無理數能被稱為自然常數?這時候,大家可能會想起另外一個無理數π。對於不懂數學的人來說,這兩個數可能算是eπ胡言。但大多數人卻會經常在生活和學習中使用這兩個奇妙的無理數。
  • 玩數學:一個常數的常數——蓋爾芳德常數
    蓋爾芳德常數蓋爾芳德常數由前蘇聯數學家Alexander Osipovich Gelfond提出,該常數是由兩個最著名的無理數常數和超越數π和e組合而成,即e的π次冪:蓋爾芳德常數是一個無理數,也是一個超越數。
  • 數學常數e
    自然常數e和圓周率π、黃金分割數φ一起被稱為「三大數學常數」。e作為重要數學常數之一,常出現於數學和物理學之中。
  • 自然常數e到底有多少秘密?數學家歐拉、高斯等也沒研究透徹
    (當x→∞時,不大於x的質數的個數為x/lnx)此猜想經黎曼等數學家的補充與證明,最終變成對數論發展影響深遠的「質數定理」. 定理中的兩個重要概念——質數與自然常數e,一個屬於數論範疇,另一個(lnx中的自然常數e)則隸屬於分析學。「質數定理」將兩個看似毫無關聯的數學分支—— 「數論與分析」緊密聯繫在了一起。
  • 怎麼會有常數這種東西,談談那些神秘的數學常數
    ,還有幾個大咖級的常數還沒講呢,所以,超模君今天繼續。。。希勃索斯本來以為老師會將這一發現公布於眾,改變人們錯誤的認識。沒想到,老師卻認為這樣會動搖到畢達哥拉斯學派在學術界的統治地位,便新規定了一條紀律:誰都不準洩露存在根號2(即無理數)的秘密。後來,天真的希勃索斯有一次無意中向別人談到了他的發現,結果他被認為是學派的「逆賊」,被囚禁,受盡百般折磨,最後被投入愛琴海淹死。。。
  • 你知道自然常數e有多麼的無理嗎?
    自然常數e的性質有很多,首先它的無理性是當時數學家們首先要解決的,本篇就來談一談e是有多麼的無理,既然選擇了通向無理的徵程,就讓我們開始吧。本篇就像你不相信1=0.999……一樣神奇,就因為它的神奇才能激發我們的好奇心去探索更多的未知。如果你對1=0.999……這樣的數學知識非常感興趣,那你同樣對本篇即將要探索的無理性更感興趣。
  • Filecoin的共識機制的實現進化與自然常數e的關係
    自然常數 e,是一個神奇的數,在數學中又極為自然。本文講一講 Filecoin 的共識機制的實現進化與自然常數 e 的關係。數學常數 ee 被成為自然常數,在數學家的眼裡,這個常數非常自然。Filecoin團隊的最初目的是把這個出塊權和時空證明放在一起。但是,最後從安全的角度來考慮,由於計算相對複雜,還是放棄了。階段二:直接極致簡化,不考慮越界的問題,直接乘以5進行比較計算。這個是在時空證明已經通過WindowedPoSt替代 SurprisedPoSt的情況下的一個簡化措施。
  • 自然常數 e 的故事
    E(自然常數, 也稱為歐拉數)是自然對數函數的底數. 它是一個無理數, 就是說小數點後面無窮無盡, 永不重複. 與 Pi 和 sqrt(2) 不同, 它不是由幾何問題上探究而來的, 而是關於增長率和變化率的常數. 但是它為什麼和增長率有關呢? 讓我們回到來 17 世紀, 看看發現 e 最初的問題與相關的兩位大數學伯努利和歐拉吧.
  • 自然常數e是什麼?它是怎麼來的?
    在數學中,有一個被稱為自然常數(又叫歐拉數)的常數。這個問題等同於求解下面的這個極限: 經由嚴格的數學證明可知,上述極限是存在的,它不是無限的,而是一個常數
  • 除了值的大小,我們對常數e到底知道多少?
    · 對於e,我們似乎所知不多 在數學中,常數e一直是一個神奇的存在,似乎很常見,可我們對其又知道多少呢?從中文上看,大致是這麼個意思:「數學常數e是自然對數的基礎」。但,不幸的是,這裡又引出了另一個概念「自然對數」。
  • 自然常數【e】無理數!它到底【自然】在哪兒?
    問題的主角就是一個神奇的無理數:自然常數e。      在初中階段,「無理數」這個概念走進了大家的課本。    老師會告訴大家,非完全平方數的平方根(比如根號2)就是有理數,還有圓周率π也是無理數。如果你再仔細查查資料翻翻書的話,就會發現,很多地方還提到,自然常數e也是無理數,它的數值約等於2.7182818285。
  • 自然常數e:原來是這麼來的
    數學中有許多重要的常數,例如圓周率π和虛數單位i(等於根號負一)。但數學中還有一個同樣重要的常數,那就是自然常數e,儘管沒有圓周率那麼為人所熟知。這個常數經常出現在數學和物理學之中,但它從哪裡來?它究竟是什麼意思?在18世紀初,數學大師萊昂哈德?
  • 自然常數e為什麼這麼重要?
    >我們知道,自然界有一些十分重要的常數,如0,1,i,π,e等,它們的存在很大程度上影響了我們的學習與生活,今天我們就來深度挖掘一下,自然常數e為什麼這麼重要?在回答自然常數e為什麼這麼重要之前,我們首先要問,自然常數e是什麼?簡單搜索一下可以發現,百度百科裡面是這麼解釋的:自然常數,是數學科的一種法則。
  • 數學常數e的含義
  • 自然常數e到底是個什麼東西?
    自然常數e,是一個無理數,也是超越數,其值為2.71828……e被稱為歐拉數,以瑞士數學家歐拉;也被稱為納皮爾常數,以紀念蘇格蘭數學家約翰·納皮爾引進了對數。第一次提到自然常數e,是約翰·納皮爾於1618年出版的對數著作附錄中的一張表。第一次把e看為常數的是雅各·伯努利。第一次用到常數e,是萊布尼茨於1690年和1691年給惠更斯的通信,以b表示。
  • 你們要的證明來了——證明歐拉數e是無理數
    e的簡史常數e的發現歸功於雅各伯努利,他是伯努利家族中最著名的數學家之一,當時他試圖找到極限方程1:這個極限等於e。這個常數最初由字母b表示,在1690年和1691年,德國博學者戈特弗裡德·萊布尼茨和荷蘭物理學家、數學家克裡斯蒂安·惠更斯的書信往來中首次使用。然而,是數學家萊昂哈德·歐拉在1731年給德國數學家克裡斯蒂安·哥德巴赫的一封信中引入了符號e。e首次出現在出版物中是在歐拉1736年的《力學》一書中。
  • 那些神秘的數學常數!
    直到 1761 年,德國數學家 Lambert 才證明了 π 是一個無理數。  π 是數學中最基本、最重要、最神奇的常數之一,它常常出現在一些與幾何毫無關係的場合中。例如,任意取出兩個正整數,則它們互質(最大公約數為 1 )的概率為 6 / π^2 。