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你知道超越數嗎? (第 9 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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除了 Weierstrass 之外,十九世紀末葉的數學家 Hurwitz 及 Hilbert 也對超越理論深感興趣,雖然 e 和 π 的超越性已經解決了,但是 Euler 猜測中關於 $\log_ab$ 為超越數的部分仍然沒有答案。 Hilbert 本人在此問題上下了一番功夫沒有結果之後,深感此問題之困難與重要, 乃於1900年在巴黎舉行的世界數學大會上,提出此問題,列名第七(他一共提了二十三個問題,第一個問題即為我們提過的「連續統假設」):

Hilbert氏第七問題:
$\alpha \neq 0,1$$\beta \neq 0$ 為代數數,若 $\log_{\alpha} \beta$ 不為有理數,則必為超越數。

讀者必已發現這問題實際上是原來 Euler 猜測推廣後的形式,Hilbert 把 Euler 猜測中 a,b 不為有理數的部分推廣到 α,β 為代數數的情形。

Hilbert 第七問題也可以換成下列的形式來問:

別型: 設 $\alpha \neq 0,1$$r \not\in \mathbf{Q}$ 為兩代數數,則 $\alpha^r$ 為超越數。

我們現在來證明 Hilbert 這個問題的原型與別型是等價的:

證明:
(1)(原型 $\Rightarrow$ 別型)
假設別型不成立則 $\alpha^r$ 為代數數,以 β 表示, 則 $r=\frac{\log{\beta}}{\log{\alpha}}=\log_{\alpha}{\beta}$,故可由原型導出 r 為超越數的結論。此為矛盾。

(2)(別型 $\Rightarrow$ 原型)
假設原型不成立,即 $\log_{\alpha}{\beta}$ 為代數數, 以 r 表之,則 $\alpha^r=\beta$,故可由別型導出 β 為超越數,此為矛盾。

由 Hilbert 問題可導出如下之實例:

(1) $2^{\sqrt{2}}$ 為超越數;此即別型中 $\alpha=2$, $\beta=\sqrt{2}$ 之情形。

(2) $e^{\pi}$ 為超越數; 這是因為 $i^{-2i}=e^{-2i\log i} = e^{-2 i \cdot(\frac{\pi}{2}i)} = e^{\pi}$ 即別型中 $\alpha=i$,$\beta=-2i$ 的情形。

這兩個實例分別在1929及1930被俄國人 Gelfond、Kuzmin 所證實,而整個 Hilbert 問題是在1934年被 Gelfond 及德國人 Schneider 所解決的。

   

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編輯:朱安強 最後修改日期:4/26/2002