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你知道超越數嗎? (第 10 頁)

林聰源

 

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.原載於數學傳播第二卷第一期
.作者當時任教於清大數學系

註釋
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本文最後以兩個故事做為結束。

(1) Hilbert 提出這問題之後,有一次在演講中又提到它,那時(1919) Siegel 剛進 Göttingen,還是年輕的學生,當天也在座聽到 Hilbert 說如下的話: 「……這第七問題是非常難的,短期內恐不易解決,打個比喻說吧!我在有生之年也許有幸可以看到 Riemann hypothesis (關於 Riemann Zeta 函數零點之分佈情形)之解決;在座聽眾之中有人可能可以活到眼目睹 Fermat 最後問題(方程式 xn+yn=zn$n\geq3$ 時沒有整數解)之解決;但今天參加這集會的所有人沒有一個可能看到第七問題的答案!」事實並非如此,當 Hilbert 在1943年初壽終的時候,第七問題已經解決了有九年之久,而其他兩個難題直到今天還沒有人摸到頭緒。

Siegel 對第七問題的解決有很大的貢獻,前文提到的 Schneider 就是他的學生之一。Siegel 戰後在 Princeton 高等研究所寫了一本書《超越數》,網羅那時這方面進展的成果,在某一頁上他還特地舉出上面這段故事告誡我們說,在一個問題沒有被解決之前,即使是一個卓越的數學家,也不易清楚這問題到底有多難。

(2)在古希臘時代,畢氏定理沒有發現之前,數學家們只知道有有理數,也只談有理數,他們以為所有的線段都是可以公度的,也就是說,任意二線段長度之比恆為二整數之比,亦即比值為一有理數。畢氏造一等腰直角三角形,若腰為單位長度斜邊 $\sqrt{2}$ 為一無理數,因而斜邊與腰不可公度,這個發現震撼了當時的數學界,整個的幾何理論為之動搖,彷彿數學的末日來臨一般。事實上,數學的歷史沒有因為一個定理的發現而告終,反而覺悟到以前認定之錯誤而尋覓到完整的新觀念取而代之,使數學走向更光明的境界。Hilbert 第七問題的出現和畢氏定理有著異曲同工之妙,因為在下面我們將證明此問題可導出「有二線段其長度比為超越數」之事實:

定理:
一等腰三角形若其底角與頂角之比為一無理代數數,則底邊與腰之比為一超越數。



證明:
由正弦定律

\begin{displaymath}
\frac{b}{a}=\frac{\sin \beta}{\sin \alpha}
=\frac{\sin \beta...
...rac{\beta}{2}}}{\cos{\frac{\beta}{2}}}
=2\sin{\frac{\beta}{2}}
\end{displaymath}

由假設 $\frac{\beta}{\alpha}$ 為一無理代數數,則由

\begin{displaymath}
\frac{\alpha}{\beta}=\frac{\frac{(\pi-\beta)}{2}}{\beta}
=\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{\beta}-\frac{1}{2}
\end{displaymath}

可知 $\frac{\beta}{\pi}$ 亦為一無理代數數,由第七問題即可導得 $i^{\frac{\beta}{\pi}}$ 為一超越數, 但

\begin{displaymath}
i^{\frac{\beta}{\pi}}=e^{\frac{\beta}{\pi} \log{i}}=e^{\frac...
...frac{\beta i}{2}}=\cos{\frac{\beta}{2}}+i\sin{\frac{\beta}{2}}
\end{displaymath}

其中 $\cos^2{\frac{\beta}{2}}+\sin^2{\frac{\beta}{2}}=1$, 因此 $\cos{\frac{\beta}{2}}$$\sin{\frac{\beta}{2}}$ 均為超越數 (若 $\sin{\frac{\beta}{2}}$ 為代數數,則 $\cos{\frac{\beta}{2}}= \pm \sqrt{1-(\sin{\frac{\beta}{2}})^2}$ 亦為代數數),這就證明了 $\frac{b}{a}$ 是超越數的結論。

有人讀了這麼多之後不禁要發問:「為什麼要研究超越數呢?」我只想說出我的感覺,當你步向一個光輝耀目的遠景的時候,路旁必也有無數美麗的鮮花供路人瀏覽。

1. Klein 原著:《Famous Problems of Elementary Geometry》, (中譯本:《幾何三大作圖問題》,商務印書館發行。)
2.A.M.S.(美國數學學會):《Mathematical Development Arising From Hilbert Problems》

   

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編輯:朱安強 最後修改日期:4/26/2002