Теорема Линдеманна – Вейерштрасса

Об алгебраической независимости экспонент линейно независимых алгебраических чисел над Q

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 nалгебраические числа , линейно независимые над рациональными числами , то e α 1 , ...,  e α n алгебраически независимы над . Q {\displaystyle \mathbb {Q} } Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

Другими словами, поле расширения имеет степень трансцендентности n над . Q ( e α 1 , , e α n ) {\displaystyle \mathbb {Q} (e^{\alpha _{1}},\dots ,e^{\alpha _{n}})} Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

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. Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

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 .

Соглашение об именовании

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 е иπ

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 0e 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.

п-адическая гипотеза

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 1 ), . . . , exp p n ) p -адические числа, которые алгебраически независимы над. Q {\displaystyle \mathbb {Q} } Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

Модульная гипотеза

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

{ J ( q 1 ) , J ( q 1 ) , J ( q 1 ) , , J ( q n ) , J ( q n ) , J ( q n ) } {\displaystyle \left\{J(q_{1}),J'(q_{1}),J''(q_{1}),\ldots ,J(q_{n}),J'(q_{n}),J''(q_{n})\right\}}

алгебраически зависимы над . Тогда существуют два индекса 1 ≤  i  <  j  ≤  n такие, что q i и q j мультипликативно зависимы. Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

Теорема Линдеманна – Вейерштрасса

Теорема Линдемана–Вейерштрасса (переформулировка Бейкера).  —  Если a 1 , ..., a n — алгебраические числа, а α 1 , ..., α n — различные алгебраические числа, то [10]

a 1 e α 1 + a 2 e α 2 + + a n e α n = 0 {\displaystyle a_{1}e^{\alpha _{1}}+a_{2}e^{\alpha _{2}}+\cdots +a_{n}e^{\alpha _{n}}=0}

имеет только тривиальное решение для всех a i = 0 {\displaystyle a_{i}=0} i = 1 , , n . {\displaystyle i=1,\dots ,n.}

Доказательство

Доказательство опирается на две предварительные леммы . Обратите внимание, что сама лемма B уже достаточна для вывода исходного утверждения теоремы Линдемана–Вейерштрасса.

Предварительные леммы

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 ( ki ) ≠ ( uv ) , то T k ( x ) {\displaystyle T_{k}(x)}

c ( 1 ) ( e γ ( 1 ) 1 + + e γ ( 1 ) m ( 1 ) ) + + c ( r ) ( e γ ( r ) 1 + + e γ ( r ) m ( r ) ) = 0 {\displaystyle c(1)\left(e^{\gamma (1)_{1}}+\cdots +e^{\gamma (1)_{m(1)}}\right)+\cdots +c(r)\left(e^{\gamma (r)_{1}}+\cdots +e^{\gamma (r)_{m(r)}}\right)=0}

имеет только тривиальное решение для всех c ( i ) = 0 {\displaystyle c(i)=0} i = 1 , , r . {\displaystyle i=1,\dots ,r.}

Доказательство леммы А. Для упрощения обозначений:

n 0 = 0 , n i = k = 1 i m ( k ) , i = 1 , , r n = n r , α n i 1 + j = γ ( i ) j , 1 i r ,   1 j m ( i ) β n i 1 + j = c ( i ) . {\displaystyle {\begin{aligned}&n_{0}=0,&&\\&n_{i}=\sum \nolimits _{k=1}^{i}m(k),&&i=1,\ldots ,r\\&n=n_{r},&&\\&\alpha _{n_{i-1}+j}=\gamma (i)_{j},&&1\leq i\leq r,\ 1\leq j\leq m(i)\\&\beta _{n_{i-1}+j}=c(i).\end{aligned}}}

Тогда утверждение становится

k = 1 n β k e α k 0. {\displaystyle \sum _{k=1}^{n}\beta _{k}e^{\alpha _{k}}\neq 0.}

Пусть pпростое число и определим следующие многочлены:

f i ( x ) = n p ( x α 1 ) p ( x α n ) p ( x α i ) , {\displaystyle f_{i}(x)={\frac {\ell ^{np}(x-\alpha _{1})^{p}\cdots (x-\alpha _{n})^{p}}{(x-\alpha _{i})}},}

где — ненулевое целое число, такое, что все являются алгебраическими целыми числами . Определим [11] α 1 , , α n {\displaystyle \ell \alpha _{1},\ldots ,\ell \alpha _{n}}

I i ( s ) = 0 s e s x f i ( x ) d x . {\displaystyle I_{i}(s)=\int _{0}^{s}e^{s-x}f_{i}(x)\,dx.}

Используя интегрирование по частям, приходим к

I i ( s ) = e s j = 0 n p 1 f i ( j ) ( 0 ) j = 0 n p 1 f i ( j ) ( s ) , {\displaystyle I_{i}(s)=e^{s}\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(0)-\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(s),}

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 n p 1 {\displaystyle np-1} f i {\displaystyle f_{i}} f i ( j ) {\displaystyle f_{i}^{(j)}} f i {\displaystyle f_{i}}

e s x j = 0 n p 1 f i ( j ) ( x ) {\displaystyle -e^{s-x}\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(x)}

является примитивом . e s x f i ( x ) {\displaystyle e^{s-x}f_{i}(x)}

Рассмотрим следующую сумму:

J i = k = 1 n β k I i ( α k ) = k = 1 n β k ( e α k j = 0 n p 1 f i ( j ) ( 0 ) j = 0 n p 1 f i ( j ) ( α k ) ) = ( j = 0 n p 1 f i ( j ) ( 0 ) ) ( k = 1 n β k e α k ) k = 1 n j = 0 n p 1 β k f i ( j ) ( α k ) = k = 1 n j = 0 n p 1 β k f i ( j ) ( α k ) {\displaystyle {\begin{aligned}J_{i}&=\sum _{k=1}^{n}\beta _{k}I_{i}(\alpha _{k})\\[5pt]&=\sum _{k=1}^{n}\beta _{k}\left(e^{\alpha _{k}}\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(0)-\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(\alpha _{k})\right)\\[5pt]&=\left(\sum _{j=0}^{np-1}f_{i}^{(j)}(0)\right)\left(\sum _{k=1}^{n}\beta _{k}e^{\alpha _{k}}\right)-\sum _{k=1}^{n}\sum _{j=0}^{np-1}\beta _{k}f_{i}^{(j)}(\alpha _{k})\\[5pt]&=-\sum _{k=1}^{n}\sum _{j=0}^{np-1}\beta _{k}f_{i}^{(j)}(\alpha _{k})\end{aligned}}}

В последней строке мы предположили, что заключение Леммы ложно. Для завершения доказательства нам нужно прийти к противоречию. Мы сделаем это, оценив двумя разными способами. | J 1 J n | {\displaystyle |J_{1}\cdots J_{n}|}

Во-первых, это алгебраическое целое число , которое делится на p ! для и обращается в нуль для , если только и , в этом случае оно равно f i ( j ) ( α k ) {\displaystyle f_{i}^{(j)}(\alpha _{k})} j p {\displaystyle j\geq p} j < p {\displaystyle j<p} j = p 1 {\displaystyle j=p-1} k = i {\displaystyle k=i}

n p ( p 1 ) ! k i ( α i α k ) p . {\displaystyle \ell ^{np}(p-1)!\prod _{k\neq i}(\alpha _{i}-\alpha _{k})^{p}.}

Это не делится на p , когда p достаточно велико, потому что в противном случае, положив

δ i = k i ( α i α k ) {\displaystyle \delta _{i}=\prod _{k\neq i}(\ell \alpha _{i}-\ell \alpha _{k})}

(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. d i Z {\displaystyle d_{i}\in \mathbb {Z} } p ( p 1 ) ! d i p {\displaystyle \ell ^{p}(p-1)!d_{i}^{p}}

Итак, делится ли ненулевое алгебраическое целое число на ( p  − 1)!. Теперь J i {\displaystyle J_{i}}

J i = j = 0 n p 1 t = 1 r c ( t ) ( f i ( j ) ( α n t 1 + 1 ) + + f i ( j ) ( α n t ) ) . {\displaystyle J_{i}=-\sum _{j=0}^{np-1}\sum _{t=1}^{r}c(t)\left(f_{i}^{(j)}(\alpha _{n_{t-1}+1})+\cdots +f_{i}^{(j)}(\alpha _{n_{t}})\right).}

Поскольку каждый из них получается путем деления фиксированного многочлена с целыми коэффициентами на , он имеет вид f i ( x ) {\displaystyle f_{i}(x)} ( x α i ) {\displaystyle (x-\alpha _{i})}

f i ( x ) = m = 0 n p 1 g m ( α i ) x m , {\displaystyle f_{i}(x)=\sum _{m=0}^{np-1}g_{m}(\alpha _{i})x^{m},}

где — многочлен (с целыми коэффициентами), не зависящий от i . То же самое справедливо и для производных . g m {\displaystyle g_{m}} f i ( j ) ( x ) {\displaystyle f_{i}^{(j)}(x)}

Следовательно, по основной теореме о симметричных многочленах ,

f i ( j ) ( α n t 1 + 1 ) + + f i ( j ) ( α n t ) {\displaystyle f_{i}^{(j)}(\alpha _{n_{t-1}+1})+\cdots +f_{i}^{(j)}(\alpha _{n_{t}})}

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 . α i {\displaystyle \alpha _{i}} α n t 1 + 1 , , α n t {\displaystyle \alpha _{n_{t-1}+1},\dots ,\alpha _{n_{t}}} J i {\displaystyle J_{i}} G ( α i ) {\displaystyle G(\alpha _{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 J 1 J n = G ( α 1 ) G ( α n ) {\displaystyle J_{1}\cdots J_{n}=G(\alpha _{1})\cdots G(\alpha _{n})} ( p 1 ) ! n {\displaystyle (p-1)!^{n}} J i {\displaystyle J_{i}} ( p 1 ) ! {\displaystyle (p-1)!}

| J 1 J n | ( p 1 ) ! n . {\displaystyle |J_{1}\cdots J_{n}|\geq (p-1)!^{n}.}

Однако, очевидно, что есть:

| I i ( α k ) | | α k | e | α k | F i ( | α k | ) , {\displaystyle |I_{i}(\alpha _{k})|\leq {|\alpha _{k}|}e^{|\alpha _{k}|}F_{i}({|\alpha _{k}|}),}

где F i — многочлен, коэффициенты которого являются абсолютными значениями коэффициентов f i (это следует непосредственно из определения ). Таким образом, I i ( s ) {\displaystyle I_{i}(s)}

| J i | k = 1 n | β k α k | e | α k | F i ( | α k | ) {\displaystyle |J_{i}|\leq \sum _{k=1}^{n}\left|\beta _{k}\alpha _{k}\right|e^{|\alpha _{k}|}F_{i}\left(\left|\alpha _{k}\right|\right)}

и поэтому по построению 's мы имеем для достаточно большого C независимо от p , что противоречит предыдущему неравенству. Это доказывает Лемму А. ∎ f i {\displaystyle f_{i}} | J 1 J n | C p {\displaystyle |J_{1}\cdots J_{n}|\leq C^{p}}

Лемма B.  —  Если b (1), ..., b ( n ) — целые числа и γ (1), ..., γ ( n ) — различные алгебраические числа , то

b ( 1 ) e γ ( 1 ) + + b ( n ) e γ ( n ) = 0 {\displaystyle b(1)e^{\gamma (1)}+\cdots +b(n)e^{\gamma (n)}=0}

имеет только тривиальное решение для всех b ( i ) = 0 {\displaystyle b(i)=0} i = 1 , , n . {\displaystyle i=1,\dots ,n.}

Доказательство леммы B: Предположим,

b ( 1 ) e γ ( 1 ) + + b ( n ) e γ ( n ) = 0 , {\displaystyle b(1)e^{\gamma (1)}+\cdots +b(n)e^{\gamma (n)}=0,}

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. γ ( k ) {\displaystyle \gamma (k)} γ ( 1 ) , , γ ( n ) , γ ( n + 1 ) , , γ ( N ) {\displaystyle \gamma (1),\ldots ,\gamma (n),\gamma (n+1),\ldots ,\gamma (N)}

Многочлен

P ( x 1 , , x N ) = σ S N ( b ( 1 ) x σ ( 1 ) + + b ( N ) x σ ( N ) ) {\displaystyle P(x_{1},\dots ,x_{N})=\prod _{\sigma \in S_{N}}(b(1)x_{\sigma (1)}+\cdots +b(N)x_{\sigma (N)})}

обращается в нуль по предположению. Поскольку произведение симметрично, для любого мономы и имеют одинаковый коэффициент в разложении P. ( e γ ( 1 ) , , e γ ( N ) ) {\displaystyle (e^{\gamma (1)},\dots ,e^{\gamma (N)})} τ S N {\displaystyle \tau \in S_{N}} x τ ( 1 ) h 1 x τ ( N ) h N {\displaystyle x_{\tau (1)}^{h_{1}}\cdots x_{\tau (N)}^{h_{N}}} x 1 h 1 x N h N {\displaystyle x_{1}^{h_{1}}\cdots x_{N}^{h_{N}}}

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. P ( e γ ( 1 ) , , e γ ( N ) ) {\displaystyle P(e^{\gamma (1)},\dots ,e^{\gamma (N)})} h 1 γ ( 1 ) + + h N γ ( N ) {\displaystyle h_{1}\gamma (1)+\dots +h_{N}\gamma (N)}

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. ∎

Последний шаг

Теперь перейдем к доказательству теоремы: Пусть a (1),..., a ( n ) — ненулевые алгебраические числа , а α (1),..., α ( n ) — различные алгебраические числа. Тогда предположим, что:

a ( 1 ) e α ( 1 ) + + a ( n ) e α ( n ) = 0. {\displaystyle a(1)e^{\alpha (1)}+\cdots +a(n)e^{\alpha (n)}=0.}

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 x 11 , , x 1 d ( 1 ) , , x n 1 , , x n d ( n ) , y 1 , , y n {\displaystyle x_{11},\dots ,x_{1d(1)},\dots ,x_{n1},\dots ,x_{nd(n)},y_{1},\dots ,y_{n}}

Q ( x 11 , , x n d ( n ) , y 1 , , y n ) = σ S ( x 1 σ ( 1 ) y 1 + + x n σ ( n ) y n ) . {\displaystyle Q(x_{11},\dots ,x_{nd(n)},y_{1},\dots ,y_{n})=\prod \nolimits _{\sigma \in S}\left(x_{1\sigma (1)}y_{1}+\dots +x_{n\sigma (n)}y_{n}\right).}

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 . x i 1 , , x i d ( i ) {\displaystyle x_{i1},\dots ,x_{id(i)}} a ( i ) 1 , , a ( i ) d ( i ) {\displaystyle a(i)_{1},\dots ,a(i)_{d(i)}}

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 Q ( a ( 1 ) 1 , , a ( n ) d ( n ) , e α ( 1 ) , , e α ( n ) ) {\displaystyle Q(a(1)_{1},\dots ,a(n)_{d(n)},e^{\alpha (1)},\dots ,e^{\alpha (n)})}

b ( 1 ) e β ( 1 ) + b ( 2 ) e β ( 2 ) + + b ( N ) e β ( N ) = 0 , {\displaystyle b(1)e^{\beta (1)}+b(2)e^{\beta (2)}+\cdots +b(N)e^{\beta (N)}=0,}

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. b ( 1 ) , , b ( N ) Q {\displaystyle b(1),\dots ,b(N)\in \mathbb {Q} } α ( i ) {\displaystyle \alpha (i)} e | S | α ( i ) {\displaystyle e^{|S|\alpha (i)}}

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

a n e n + + a 0 e 0 0. {\displaystyle a_{n}e^{n}+\cdots +a_{0}e^{0}\neq 0.}

Леммы B также достаточно, чтобы доказать, что π трансцендентно, так как в противном случае мы имели бы 1 +  e i π  ≠ 0.

Эквивалентность двух утверждений

Формулировка теоремы Бейкера явно подразумевает первую формулировку. Действительно, если — алгебраические числа, линейно независимые над , и α ( 1 ) , , α ( n ) {\displaystyle \alpha (1),\ldots ,\alpha (n)} Q {\displaystyle \mathbb {Q} }

P ( x 1 , , x n ) = b i 1 , , i n x 1 i 1 x n i n {\displaystyle P(x_{1},\ldots ,x_{n})=\sum b_{i_{1},\ldots ,i_{n}}x_{1}^{i_{1}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}

— многочлен с рациональными коэффициентами, тогда имеем

P ( e α ( 1 ) , , e α ( n ) ) = b i 1 , , i n e i 1 α ( 1 ) + + i n α ( n ) , {\displaystyle P\left(e^{\alpha (1)},\dots ,e^{\alpha (n)}\right)=\sum b_{i_{1},\dots ,i_{n}}e^{i_{1}\alpha (1)+\cdots +i_{n}\alpha (n)},}

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 . α ( 1 ) , , α ( n ) {\displaystyle \alpha (1),\ldots ,\alpha (n)} i 1 α ( 1 ) + + i n α ( n ) {\displaystyle i_{1}\alpha (1)+\cdots +i_{n}\alpha (n)} ( i 1 , , i n ) {\displaystyle (i_{1},\dots ,i_{n})} b i 1 , , i n = 0 {\displaystyle b_{i_{1},\ldots ,i_{n}}=0} ( i 1 , , i n ) {\displaystyle (i_{1},\dots ,i_{n})}

Теперь предположим, что верна первая формулировка теоремы. Поскольку формулировка Бейкера тривиальна, предположим, что , и пусть — ненулевые алгебраические числа, и различные алгебраические числа, такие, что: n = 1 {\displaystyle n=1} n > 1 {\displaystyle n>1} a ( 1 ) , , a ( n ) {\displaystyle a(1),\ldots ,a(n)} α ( 1 ) , , α ( n ) {\displaystyle \alpha (1),\ldots ,\alpha (n)}

a ( 1 ) e α ( 1 ) + + a ( n ) e α ( n ) = 0. {\displaystyle a(1)e^{\alpha (1)}+\cdots +a(n)e^{\alpha (n)}=0.}

Как было показано в предыдущем разделе и с использованием тех же обозначений, что и там, значение многочлена

Q ( x 11 , , x n d ( n ) , y 1 , , y n ) = σ S ( x 1 σ ( 1 ) y 1 + + x n σ ( n ) y n ) , {\displaystyle Q(x_{11},\ldots ,x_{nd(n)},y_{1},\dots ,y_{n})=\prod \nolimits _{\sigma \in S}\left(x_{1\sigma (1)}y_{1}+\dots +x_{n\sigma (n)}y_{n}\right),}

в

( a ( 1 ) 1 , , a ( n ) d ( n ) , e α ( 1 ) , , e α ( n ) ) {\displaystyle \left(a(1)_{1},\ldots ,a(n)_{d(n)},e^{\alpha (1)},\ldots ,e^{\alpha (n)}\right)}

имеет выражение формы

b ( 1 ) e β ( 1 ) + b ( 2 ) e β ( 2 ) + + b ( M ) e β ( M ) = 0 , {\displaystyle b(1)e^{\beta (1)}+b(2)e^{\beta (2)}+\cdots +b(M)e^{\beta (M)}=0,}

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 b ( 1 ) , , b ( M ) {\displaystyle b(1),\ldots ,b(M)} β ( m ) {\displaystyle \beta (m)} α ( i ) {\displaystyle \alpha (i)} n > 1 {\displaystyle n>1} α ( 1 ) , , α ( n ) {\displaystyle \alpha (1),\ldots ,\alpha (n)} Q {\displaystyle \mathbb {Q} } V {\displaystyle V} C {\displaystyle \mathbb {C} } α ( 1 ) , , α ( n ) {\displaystyle \alpha (1),\ldots ,\alpha (n)} α ( i 1 ) , , α ( i k ) {\displaystyle \alpha (i_{1}),\ldots ,\alpha (i_{k})} V . {\displaystyle V.} m = 1 , , M {\displaystyle m=1,\dots ,M}

β ( m ) = q m , 1 α ( i 1 ) + + q m , k α ( i k ) , q m , j = c m , j d m , j ; c m , j , d m , j Z . {\displaystyle {\begin{aligned}\beta (m)=q_{m,1}\alpha (i_{1})+\cdots +q_{m,k}\alpha (i_{k}),&&q_{m,j}={\frac {c_{m,j}}{d_{m,j}}};\qquad c_{m,j},d_{m,j}\in \mathbb {Z} .\end{aligned}}}

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 j = 1 , , k , {\displaystyle j=1,\ldots ,k,} d j {\displaystyle d_{j}} d m , j {\displaystyle d_{m,j}} m = 1 , , M {\displaystyle m=1,\ldots ,M} v j = 1 d j α ( i j ) {\displaystyle v_{j}={\tfrac {1}{d_{j}}}\alpha (i_{j})} v 1 , , v k {\displaystyle v_{1},\ldots ,v_{k}} V {\displaystyle V} β ( m ) {\displaystyle \beta (m)} v j {\displaystyle v_{j}}

b ( 1 ) e β ( 1 ) + b ( 2 ) e β ( 2 ) + + b ( M ) e β ( M ) = 0 , {\displaystyle b(1)e^{\beta (1)}+b(2)e^{\beta (2)}+\cdots +b(M)e^{\beta (M)}=0,}

с помощью , где – достаточно большое положительное целое число, мы получаем нетривиальное алгебраическое соотношение с рациональными коэффициентами, связывающее , вопреки первой формулировке теоремы. e N ( v 1 + + v k ) {\displaystyle e^{N(v_{1}+\cdots +v_{k})}} N {\displaystyle N} e v 1 , , e v k {\displaystyle e^{v_{1}},\cdots ,e^{v_{k}}}

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab Линдеманн 1882a, Линдеманн 1882b.
  2. ^ аб Вейерштрасс 1885, стр. 1067–1086,
  3. ^ Мёрти и Рат 2014
  4. Эрмит 1873, стр. 18–24.
  5. ^ Эрмит 1874
  6. ^ Гельфонд 2015.
  7. Гильберт 1893, стр. 216–219.
  8. Гордан 1893, стр. 222–224.
  9. Бертран 1997, стр. 339–350.
  10. ^ (на французском) french Proof's Lindemann-Weierstrass (pdf) [ мертвая ссылка ‍ ]
  11. ^ С точностью до множителя это тот же интеграл, который появляется в доказательстве того, что e — трансцендентное число , где β 1 = 1, ..., β m = m . Остальная часть доказательства леммы аналогична этому доказательству.

Ссылки

  • Бейкер, Алан (1990), Трансцендентная теория чисел, Кембриджская математическая библиотека (2-е изд.), Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-39791-9, МР  0422171
  • Бертран, Д. (1997), «Тета-функции и трансцендентность», The Ramanujan Journal , 1 (4): 339–350 , doi :10.1023/A:1009749608672, S2CID  118628723
  • Гельфонд, А.О. (2015) [1960], Трансцендентные и алгебраические числа, Dover Books on Mathematics, перевод Борона, Лео Ф., Нью-Йорк: Dover Publications , ISBN 978-0-486-49526-2, МР  0057921
  • Гордан, П. (1893), «Transcendenz von e und π.», Mathematische Annalen , 43 ( 2–3 ): 222–224 , doi : 10.1007/bf01443647, S2CID  123203471
  • Эрмит, К. (1873), «Sur la fonction exponentielle», Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Paris , 77 : 18–24 .
  • Эрмит, К. (1874), Sur la fonction exponentielle., Париж: Готье-Виллар.
  • Гильберт, Д. (1893), «Ueber die Transcendenz der Zahlen e und π.», Mathematische Annalen , 43 ( 2–3 ): 216–219 , doi : 10.1007/bf01443645, S2CID  179177945, заархивировано из оригинала в 2017 г. 10-06 , получено 24 декабря 2018 г.
  • Линдеманн, Ф. (1882), «Über die Ludolph'sche Zahl.», Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin , 2 : 679–682 .
  • Линдеманн, Ф. (1882), «Über die Zahl π.», Mathematische Annalen , 20 (2): 213–225 , doi : 10.1007/bf01446522, S2CID  120469397, заархивировано из оригинала 06 октября 2017 г. , получено 2018-12-24
  • Murty, M. Ram; Rath, Purusottam (2014). «Теорема Бейкера». Трансцендентные числа. стр.  95–100 . doi :10.1007/978-1-4939-0832-5_19. ISBN 978-1-4939-0831-8.
  • Вейерштрасс, К. (1885), «Abhandlung Цу Линдеманна. «Über die Ludolph'sche Zahl».», Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissen-schaften zu Berlin , 5 : 1067–1085

Дальнейшее чтение

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lindemann–Weierstrass_theorem&oldid=1263311853"