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你知道超越數嗎? (第 7 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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九年之後,Lindemann 將 Hermite 的定理利用代數的方法很自然地推廣而得到如下之結論:

定理:
e 不能滿足以代數數作係數或指數的多項式方程式,亦即

\begin{displaymath}
C_0+C_1e^{k_1}+C_2e^{k_2}+ \cdots +C_ne^{k_n}\neq 0
\end{displaymath}

其中 C0,C1,…,Cn(不全為 0),k1,…,kn(非零且相異)均為代數數。

利用這定理,Lindemann 導出了下一重大的結果:

系:
π 是超越數。

證明:
若 π 為代數數,則 $i\pi$ 是代數數,而 Euler 恆等式

\begin{displaymath}
e^{i \pi}+1=0
\end{displaymath}

就和定理矛盾了。

π 為超越數這事實,解決了四千年來人們企盼的「方圓問題」之一否定的解答。「方圓問題」是古希臘時代遺留下來很久以來一直未能解決的三大作圖問題之一(其他兩個是倍立方問題及三等分角問題,這三個問題都在十九世紀被解決了,有興趣的讀者可參考 Klein 所著《著名的幾何問題》一書,商務書局有中譯本)。問題是能否以直尺及圓規做出等面積的一正方形與一圓? 今假定正方形的邊長為單位長而圓之半徑為 r 則有 $1=\pi r^2$,由於尺規只能做出特殊一類的代數數,絕不可能做出超越數,故 r2 為代數數而由系知 $\pi r$ 為超越數,故 $\pi r^2$ 亦為超越數,這就和等式 $1=\pi r^2$ 矛盾了。Lindemann 即以解決「方圓問題」而在歷史上留芳百世。Lindemann 定理的內涵可以由下列兩個曲線的幾何圖形來體會:

(1) y=ex(即 $x=\log{y}$

x 為代數數 ($x \neq 0$) 則由 Lindemann 定理知 y 為超越數;反之, 若 y 為代數數 ($y \neq 1$) 則 x 為超越數。 換句話說 xy 不能同時為代數數(x=0,y=1 是唯一的例外)。以圖形來看就相當於指數曲線 y=ex 及對數曲線 $x=\log{y}$ 不通過任何的代數點(注意我們的 xy 均為複變數,所謂代數點是指座標 xy 均為代數數的點)。如果我們再提醒自已一下,代數點在雙複變的平面上是稠密分佈的話,那麼此二曲線除在 x=0 ,y=1 以外,完全避開此一稠密點集的事實是很驚人的!以文字敘述即:

系: 設 $\alpha \neq 0$, $\beta \neq 0,1$ 為代數數,則 $e^{\alpha}$, $\log{\beta}$ 為超越數。

(2) $y=\sin{x}$(即 $x=\sin^{-1} y$

此時 2iy=eix-e-ix (因 $e^{ix}=\cos{x}+i\sin{x}$ 等等)若 $x \neq 0$ 為代數數則由 Lindemann 定理 y 為超越數;反之若 $y \neq 0$ 為代數數,則 x 為超越數,仿照(1)之討論,此正弦曲線(反正弦曲線)除了 x=0,y=0 以外不通過任何代數點。以文字敘述即:

系: 設 $a \neq 0$ 為代數數,則 $\sin{\alpha}$, $\sin^{-1}{\alpha}$ 為超越數。

   

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編輯:朱安強 最後修改日期:4/26/2002