Часть серии статей на тему |
математическая константа π |
---|
3.14159 26535 89793 23846 26433... |
Использует |
Характеристики |
|
Ценить |
Люди |
История |
В культуре |
Похожие темы |
Part of a series of articles on the |
mathematical constant e |
---|
Properties |
Applications |
Defining e |
|
People |
Related topics |
В теории трансцендентных чисел теорема Линдемана –Вейерштрасса является результатом, который очень полезен для установления трансцендентности чисел. Она утверждает следующее:
Теорема Линдемана–Вейерштрасса — если α 1 , ..., α n — алгебраические числа , линейно независимые над рациональными числами , то e α 1 , ..., e α n алгебраически независимы над .
Другими словами, поле расширения имеет степень трансцендентности n над .
Эквивалентная формулировка из Бейкера 1990, Глава 1, Теорема 1.4, выглядит следующим образом:
Эквивалентная формулировка — Если α 1 , ..., α n — различные алгебраические числа, то экспоненты e α 1 , ..., e α n линейно независимы над алгебраическими числами.
Эта эквивалентность преобразует линейное отношение над алгебраическими числами в алгебраическое отношение над , используя тот факт, что симметричный многочлен , все аргументы которого сопряжены друг другу, дает рациональное число.
Теорема названа в честь Фердинанда фон Линдемана и Карла Вейерштрасса . Линдеман доказал в 1882 году, что e α трансцендентно для любого ненулевого алгебраического числа α, тем самым установив, что π трансцендентно (см. ниже). [1] Вейерштрасс доказал приведенное выше более общее утверждение в 1885 году. [2]
Теорема, наряду с теоремой Гельфонда–Шнайдера , расширяется теоремой Бейкера [3] , и все они могут быть дополнительно обобщены гипотезой Шануэля .
Теорема также известна под разными названиями: теорема Эрмита–Линдемана и теорема Эрмита–Линдемана–Вейерштрасса . Чарльз Эрмит первым доказал более простую теорему, в которой показатели α i должны быть рациональными целыми числами , а линейная независимость гарантируется только над рациональными целыми числами, [4] [5] результат, который иногда называют теоремой Эрмита. [6] Хотя это, по-видимому, частный случай вышеуказанной теоремы, общий результат можно свести к этому более простому случаю. Линдеманн был первым, кто допустил алгебраические числа в работу Эрмита в 1882 году. [1] Вскоре после этого Вейерштрасс получил полный результат, [2] и дальнейшие упрощения были сделаны несколькими математиками, наиболее известными из которых были Дэвид Гильберт [7] и Пол Гордан . [8]
Трансцендентность e и π являются прямыми следствиями этой теоремы.
Предположим, что α — ненулевое алгебраическое число; тогда {α} — линейно независимое множество над рациональными числами, и, следовательно, по первой формулировке теоремы { e α } — алгебраически независимое множество; или, другими словами, e α трансцендентно. В частности, e 1 = e трансцендентно. (Более элементарное доказательство того, что e трансцендентно, изложено в статье о трансцендентных числах .)
Альтернативно, согласно второй формулировке теоремы, если α — ненулевое алгебраическое число, то {0, α} — множество различных алгебраических чисел, и поэтому множество { e 0 , e α } = {1, e α } линейно независимо относительно алгебраических чисел и, в частности, e α не может быть алгебраическим, поэтому оно трансцендентно.
Чтобы доказать, что π трансцендентно, мы докажем, что оно не алгебраично. Если бы π было алгебраическим, π i также было бы алгебраическим, и тогда по теореме Линдемана–Вейерштрасса e π i = −1 (см. тождество Эйлера ) было бы трансцендентным, противоречие. Следовательно, π не алгебраично, что означает, что оно трансцендентно.
Небольшой вариант того же доказательства покажет, что если α — ненулевое алгебраическое число, то sin(α), cos(α), tan(α) и их гиперболические аналоги также являются трансцендентными.
p -адическая гипотеза Линдемана–Вейерштрасса. — Предположим, что p — некотороепростое число, аα 1 , ..., α n — p -адические числа, которые алгебраически и линейно независимы над, такие, что| α i | p < 1/ p для всех i ;тогда p -адические экспонентыexp p (α 1 ), . . . , exp p (α n )— p -адические числа, которые алгебраически независимы над.
Аналог теоремы, включающий модулярную функцию j, был выдвинут Даниэлем Бертраном в 1997 году и остается открытой проблемой. [9] Записывая q = e 2 π i τ для квадрата нома и j ( τ) = J ( q ), гипотеза выглядит следующим образом.
Модулярная гипотеза — Пусть q 1 , ..., q n — ненулевые алгебраические числа в комплексном единичном круге, такие, что 3 n чисел
алгебраически зависимы над . Тогда существуют два индекса 1 ≤ i < j ≤ n такие, что q i и q j мультипликативно зависимы.
Теорема Линдемана–Вейерштрасса (переформулировка Бейкера). — Если a 1 , ..., a n — алгебраические числа, а α 1 , ..., α n — различные алгебраические числа, то [10]
имеет только тривиальное решение для всех
Доказательство опирается на две предварительные леммы . Обратите внимание, что сама лемма B уже достаточна для вывода исходного утверждения теоремы Линдемана–Вейерштрасса.
Лемма A. — Пусть c (1), ..., c ( r ) — целые числа и для каждого k между 1 и r пусть { γ ( k ) 1 , ..., γ ( k ) m ( k ) } — корни ненулевого многочлена с целыми коэффициентами . Если γ ( k ) i ≠ γ ( u ) v всякий раз, когда ( k , i ) ≠ ( u , v ) , то
имеет только тривиальное решение для всех
Доказательство леммы А. Для упрощения обозначений:
Тогда утверждение становится
Пусть p — простое число и определим следующие многочлены:
где ℓ — ненулевое целое число, такое, что все являются алгебраическими целыми числами . Определим [11]
Используя интегрирование по частям, приходим к
где - степень , а - j -я производная . Это также справедливо для s комплексного (в этом случае интеграл должен быть задуман как контурный интеграл, например, вдоль прямолинейного сегмента от 0 до s ), поскольку
является примитивом .
Рассмотрим следующую сумму:
В последней строке мы предположили, что заключение Леммы ложно. Для завершения доказательства нам нужно прийти к противоречию. Мы сделаем это, оценив двумя разными способами.
Во-первых, это алгебраическое целое число , которое делится на p ! для и обращается в нуль для , если только и , в этом случае оно равно
Это не делится на p , когда p достаточно велико, потому что в противном случае, положив
(что является ненулевым алгебраическим целым числом) и вызывая произведение его сопряженных чисел (что все еще не равно нулю), мы получим, что p делит , что неверно.
Итак, делится ли ненулевое алгебраическое целое число на ( p − 1)!. Теперь
Поскольку каждый из них получается путем деления фиксированного многочлена с целыми коэффициентами на , он имеет вид
где — многочлен (с целыми коэффициентами), не зависящий от i . То же самое справедливо и для производных .
Следовательно, по основной теореме о симметричных многочленах ,
является фиксированным многочленом с рациональными коэффициентами, вычисленными в (это видно из группировки одинаковых степеней, появляющихся в разложении, и использования того факта, что эти алгебраические числа являются полным набором сопряженных). Так что то же самое верно и для , т.е. он равен , где G является многочленом с рациональными коэффициентами, не зависящими от i .
Наконец, является рациональным (опять же по фундаментальной теореме о симметрических многочленах) и представляет собой ненулевое алгебраическое целое число, делящееся на (поскольку ' являются алгебраическими целыми числами, делящимися на ). Поэтому
Однако, очевидно, что есть:
где F i — многочлен, коэффициенты которого являются абсолютными значениями коэффициентов f i (это следует непосредственно из определения ). Таким образом,
и поэтому по построению 's мы имеем для достаточно большого C независимо от p , что противоречит предыдущему неравенству. Это доказывает Лемму А. ∎
Лемма B. — Если b (1), ..., b ( n ) — целые числа и γ (1), ..., γ ( n ) — различные алгебраические числа , то
имеет только тривиальное решение для всех
Доказательство леммы B: Предположим,
мы придем к противоречию, тем самым доказав лемму Б.
Выберем многочлен с целыми коэффициентами, который обращается в нуль на всех ', и пусть — все его различные корни. Пусть b ( n + 1) = ... = b ( N ) = 0.
Многочлен
обращается в нуль по предположению. Поскольку произведение симметрично, для любого мономы и имеют одинаковый коэффициент в разложении P.
Таким образом, расширяя соответствующим образом и группируя члены с одинаковыми показателями степеней, мы видим, что полученные показатели степеней образуют полный набор сопряженных и, если два члена имеют сопряженные показатели степеней, то они умножаются на один и тот же коэффициент.
Итак, мы находимся в ситуации леммы A. Чтобы прийти к противоречию, достаточно увидеть, что по крайней мере один из коэффициентов не равен нулю. Это видно, если снабдить C лексикографическим порядком и выбрать для каждого множителя в произведении член с ненулевым коэффициентом, который имеет максимальный показатель степени в соответствии с этим порядком: произведение этих членов имеет ненулевой коэффициент в разложении и не упрощается никаким другим членом. Это доказывает лемму B. ∎
Теперь перейдем к доказательству теоремы: Пусть a (1),..., a ( n ) — ненулевые алгебраические числа , а α (1),..., α ( n ) — различные алгебраические числа. Тогда предположим, что:
Мы покажем, что это приводит к противоречию, и таким образом докажем теорему. Доказательство очень похоже на доказательство Леммы B, за исключением того, что на этот раз выбор делается над a ( i ) :
Для каждого i ∈ {1, ..., n }, a ( i ) является алгебраическим, поэтому он является корнем неприводимого многочлена с целыми коэффициентами степени d ( i ). Обозначим различные корни этого многочлена a ( i ) 1 , ..., a ( i ) d ( i ) , причем a ( i ) 1 = a ( i ).
Пусть S — функции σ, которые выбирают один элемент из каждой из последовательностей (1, ..., d (1)), (1, ..., d (2)), ..., (1, ..., d ( n )), так что для каждого 1 ≤ i ≤ n , σ( i ) — целое число между 1 и d ( i ). Образуем многочлен по переменным
Так как произведение берется по всем возможным функциям выбора σ, Q симметрично относительно для каждого i . Следовательно, Q является многочленом с целыми коэффициентами в элементарных симметричных многочленах от указанных выше переменных для каждого i и в переменных y i . Каждый из последних симметричных многочленов является рациональным числом при оценке в .
Оцененный многочлен исчезает, потому что один из вариантов — это просто σ( i ) = 1 для всех i , для которых соответствующий множитель исчезает согласно нашему предположению выше. Таким образом, оцененный многочлен является суммой вида
где мы уже сгруппировали члены с одинаковым показателем. Так что в левой части у нас есть различные значения β(1), ..., β( N ), каждое из которых по-прежнему алгебраическое (будучи суммой алгебраических чисел) и коэффициенты . Сумма нетривиальна: если является максимальным в лексикографическом порядке, коэффициент при является просто произведением a ( i ) j (с возможными повторениями), что не равно нулю.
Умножая уравнение на подходящий целочисленный множитель, мы получаем идентичное уравнение, за исключением того, что теперь b (1), ..., b ( N ) — все целые числа. Следовательно, согласно Лемме B, равенство не может иметь места, и мы приходим к противоречию, которое завершает доказательство. ∎
Обратите внимание, что леммы A достаточно для доказательства иррациональности числа e , так как в противном случае мы можем записать e = p / q , где и p, и q — ненулевые целые числа, но по лемме A мы имели бы qe − p ≠ 0, что является противоречием. Леммы A также достаточно для доказательства иррациональности числа π , так как в противном случае мы можем записать π = k / n , где и k, и n — целые числа), и тогда ± i π являются корнями уравнения n 2 x 2 + k 2 = 0; таким образом, 2 − 1 − 1 = 2 e 0 + e i π + e − i π ≠ 0; но это неверно.
Аналогично, лемма B достаточна для доказательства трансцендентности числа e , поскольку лемма B гласит, что если a 0 , ..., an — целые числа, не все из которых равны нулю, то
Леммы B также достаточно, чтобы доказать, что π трансцендентно, так как в противном случае мы имели бы 1 + e i π ≠ 0.
Формулировка теоремы Бейкера явно подразумевает первую формулировку. Действительно, если — алгебраические числа, линейно независимые над , и
— многочлен с рациональными коэффициентами, тогда имеем
и поскольку являются алгебраическими числами, которые линейно независимы над рациональными числами, числа являются алгебраическими и они различны для различных n -кортежей . Таким образом, из формулировки теоремы Бейкера мы получаем для всех n -кортежей .
Теперь предположим, что верна первая формулировка теоремы. Поскольку формулировка Бейкера тривиальна, предположим, что , и пусть — ненулевые алгебраические числа, и различные алгебраические числа, такие, что:
Как было показано в предыдущем разделе и с использованием тех же обозначений, что и там, значение многочлена
в
имеет выражение формы
где мы сгруппировали экспоненты, имеющие одинаковую экспоненту. Здесь, как доказано выше, рациональные числа, не все равны нулю, и каждая экспонента является линейной комбинацией с целыми коэффициентами. Тогда, поскольку и попарно различны, векторное подпространство , порожденное , не является тривиальным, и мы можем выбрать для формирования базиса для Для каждого , мы имеем
Для каждого пусть будет наименьшим общим кратным всех для , и положим . Тогда — алгебраические числа, они образуют базис , и каждый — линейная комбинация с целыми коэффициентами. Умножая отношение
с помощью , где – достаточно большое положительное целое число, мы получаем нетривиальное алгебраическое соотношение с рациональными коэффициентами, связывающее , вопреки первой формулировке теоремы.