根號2是無理數的幾種證明方法

2021-02-15 輕鬆學高等數學

√2在數學史上佔著重要的位置,他是人們從有理數到無理數的認識的轉折點。當時人們發現直角邊長為1的等腰直角三角形的斜邊是不能精確測量的,也就是說不能用有理數來表示, 這樣就引發了數學史上的第一次危機。因為古希臘曾有「萬物皆數」的思想,這種認為「大自然的一切皆為整數之比」的思想統治了古希臘數學相當長的一段時間,許多幾何命題都是根據這一點來證明的。當時的很多數學證明都隱性地承認了「所有數都可以表示為整數之比」,「萬物皆數」的思想是古希臘數學發展的奠基。據說,第一個發現這個現象的人叫做希帕索斯,但是他這個發現觸犯的畢達哥拉斯學派的權威, 最後被淹死在大海之中。不過誰也無法阻止歷史前進的步伐,無理數最終還是被人們接受,成為數裡面不可或缺的一員。下面給出√2是無理數的幾種證明。

方法1. 反證法: 假設√2=p/q, 這裡p,q 都是正整數,且他們之間不存在約數。等式兩邊平方可以得到2q*q = p*p。通過分析這個等式,可以知道等式兩邊都是偶數。因為偶數的平方是偶數,奇數的平方是奇數, 所以p肯定是偶數。若q也是偶數,則p, q有一個共因子2,與假設矛盾。若q是奇數, q*q也是奇數,則等式左邊不能被4整除, 等式右邊能夠被4整除,矛盾。所以, √2不能是有理數, 只能是無理數。

方法2. 利用因式分解的唯一性。若2q*q = p*p成立,可以看出等式右邊的因式分解,所有的因式的個數都是偶數倍,而等式左邊的因式分解的個數存在奇數倍的情況,矛盾。所以, √2不能是有理數, 只能是無理數。

方法3. (輾轉相除法)圖中的BC和BD之間進行輾轉相除為什麼永遠不能停止。把BD減去BC,剩下一段DE。以DE為邊做一個新的小正方形DEFG,那麼顯然DE=EF=FC(∵△EDF為等腰直角且△BEF≌△BCF)。接下來我們應該在BC和DE間輾轉相除。BC就等於CD,CD減去一個DE相當於減去一個FC,就只剩下一段DF了。現在輪到DE和DF之間輾轉相除,而它們是一個新的正方形的邊和對角線,其比例正好與最初的BC和BD相當。於是,這個操作再次回到原問題,並且無限遞歸下去。最後的結論用我們的話說就是,不存在一個數x使得BC和BD的長度都是x的整倍數。於是,BD/BC不能表示為兩個整數之比p/q(否則BD/p=BC/q,這就成為了那個x)。這樣就證明了BD(可以是√2或者其他等腰直角三角形的斜邊長)只能是無理數了。

這裡只是拋轉引玉,給出了√2是無理數的三種證明方法,這些方法都是教科書上常見的證明方法,大家可以通過分析思考更多的新穎的證明方法。如考慮平方數的尾數等等。

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