Jump to content

Теорема Линдеманна – Вейерштрасса

В трансцендентной теории чисел теорема Линдемана -Вейерштрасса является результатом, который очень полезен для установления трансцендентности чисел. В нем говорится следующее:

Теорема Линдеманна – Вейерштрасса - если α 1 , ..., α n алгебраические числа , линейно независимые над рациональными числами. , тогда е 1 , ..., и α н независимы алгебраически над .

Другими словами, поле расширения имеет степень трансцендентности n над .

Эквивалентная формулировка ( Baker 1990 , глава 1, теорема 1.4) следующая:

Эквивалентная формулировка : если α 1 , ..., α n — различные алгебраические числа, то экспоненты e 1 , ..., и α н 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 с другом, дает рациональное число.

Теорема названа в честь Фердинанда фон Линдеманна и Карла Вейерштрасса . Линдеманн доказал в 1882 году, что e а трансцендентно для любого ненулевого алгебраического числа α, тем самым устанавливая, что π трансцендентно (см. ниже). [1] Вейерштрасс доказал это более общее утверждение в 1885 году. [2]

Теорема, наряду с теоремой Гельфонда-Шнайдера , расширяется теоремой Бейкера , [3] и все это будет дополнительно обобщено гипотезой Шануэля .

Соглашение об именах

[ редактировать ]

Теорема также известна под разными названиями: теорема Эрмита-Линдемана и теорема Эрмита-Линдемана-Вейерштрасса . Чарльз Эрмит первым доказал более простую теорему, в которой показатели степени α i должны быть целыми рациональными числами , а линейная независимость обеспечивается только для целых рациональных чисел: [4] [5] результат, который иногда называют теоремой Эрмита. [6] Хотя это кажется частным случаем приведенной выше теоремы, общий результат можно свести к этому более простому случаю. Линдеманн был первым, кто включил алгебраические числа в работу Эрмита в 1882 году. [1] Вскоре после этого Вейерштрасс получил полный результат: [2] и дальнейшие упрощения были сделаны несколькими математиками, в первую очередь Дэвидом Гильбертом. [7] и Пол Гордан . [8]

Трансцендентность e и π

[ редактировать ]

Трансцендентность являются прямыми e следствиями и π этой теоремы.

Предположим, что α — ненулевое алгебраическое число; тогда {α} — линейно независимое множество над рациональными числами, и, следовательно, по первой формулировке теоремы { e а } — алгебраически независимое множество; или другими словами е а является трансцендентальным. В частности, э 1 = e трансцендентно. (Более элементарное доказательство трансцендентности e изложено в статье о трансцендентных числах .)

В качестве альтернативы, согласно второй формулировке теоремы, если α — ненулевое алгебраическое число, то {0, α} — набор различных алгебраических чисел, и поэтому множество { e 0 , и а } = {1, и а } линейно независима от алгебраических чисел и, в частности, от e а не может быть алгебраическим и, следовательно, трансцендентным.

Чтобы доказать, что π трансцендентно, мы докажем, что оно не алгебраично. Если бы π было алгебраическим, то π i также было бы алгебраическим, и тогда по теореме Линдеманна–Вейерштрасса e π я = −1 (см. тождество Эйлера ) было бы трансцендентно, противоречие. Следовательно, π не является алгебраическим, а значит, трансцендентным.

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

[ редактировать ]

p -адическая гипотеза Линдеманна – Вейерштрасса. Предположим, что некоторое простое число , а α1 p , ..., αn p - адические числа , алгебраические и линейно независимые над , такой, что | α я | p < 1/ p для всех i ; тогда p -адические экспоненты exp p 1 ), . . . , exp p n ) p -адические числа, алгебраически независимые над .

Модульная гипотеза

[ редактировать ]

Аналог теоремы, связанной с модулярной функцией j, был выдвинут Даниэлем Бертраном в 1997 году и остается открытой проблемой. [9] Написание q = e 2 iкв.м для квадрата нома и j ( τ) = J ( q ) гипотеза состоит в следующем.

Модульная гипотеза . Пусть q 1 , ..., q n — ненулевые алгебраические числа в комплексном единичном круге такие, что 3 n чисел

алгебраически зависимы от . Тогда существуют два индекса 1 ⩽ i < j n такие, что q i и q j мультипликативно зависимы.

Теорема Линдеманна – Вейерштрасса

[ редактировать ]

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

имеет только тривиальное решение для всех

Доказательство

[ редактировать ]

Доказательство опирается на две предварительные леммы . Заметим, что самой леммы B уже достаточно, чтобы вывести исходное утверждение теоремы Линдемана–Вейерштрасса.

Предварительные леммы

[ редактировать ]

Лемма А. 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 ) я γ ( ты ) v всякий раз , когда ( k , я ) ≠ ( ты , v ) , то

имеет только тривиальное решение для всех

Доказательство леммы А. Для упрощения системы обозначений:

Тогда утверждение становится

Пусть p простое число и определим следующие многочлены:

где — целое ненулевое число такое, что все алгебраические целые числа . Определять [11]

Интегрируя по частям, приходим к

где это степень , и является j -й производной от . Это справедливо и для комплексного s (в этом случае интеграл следует рассматривать как контурный интеграл, например, по прямолинейному отрезку от 0 до s ), поскольку

является примитивом .

Рассмотрим следующую сумму:

В последней строке мы предположили, что заключение леммы неверно. Для завершения доказательства нам необходимо прийти к противоречию. Мы сделаем это, оценив двумя разными способами.

Первый — целое алгебраическое число , которое делится на p ! для и исчезает для пока не и , и в этом случае оно равно

Это число не делится на p, если p достаточно велико, потому что в противном случае, полагая

(которое является ненулевым алгебраическим целым числом) и вызывая произведение его сопряженных чисел (которое все еще не равно нулю), мы получим, что p делит , что неверно.

Так – ненулевое целое алгебраическое число, делящееся на ( p − 1)!. Сейчас

Поскольку каждый получается делением фиксированного многочлена с целыми коэффициентами на , оно имеет вид

где является полиномом (с целыми коэффициентами), не зависящим от i . То же самое справедливо и для производных .

Следовательно, по основной теореме о симметричных полиномах

представляет собой фиксированный полином с рациональными коэффициентами, вычисляемыми в (это видно, если сгруппировать одни и те же степени появляющийся в разложении и использующий тот факт, что эти алгебраические числа представляют собой полный набор сопряженных). То же самое относится и к , то есть оно равно , где G — многочлен с рациональными коэффициентами, не зависящими от i .

Окончательно рационально (опять же согласно фундаментальной теореме о симметричных многочленах) и представляет собой ненулевое целое алгебраическое число, делящееся на (поскольку 's - целые алгебраические числа, делящиеся на ). Поэтому

Однако явно имеется:

где F i — многочлен, коэффициенты которого являются абсолютными значениями коэффициентов ( fi это следует непосредственно из определения ). Таким образом

и поэтому при построении у нас есть для достаточно большого C, не зависящего от p , что противоречит предыдущему неравенству. Это доказывает Лемму А. ∎

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

имеет только тривиальное решение для всех

Доказательство леммы Б. Предполагая

мы получим противоречие, доказав тем самым лемму Б.

Выберем многочлен с целыми коэффициентами, который обращается в нуль на всех и пусть быть всеми его отдельными корнями. Пусть b ( n + 1) = ... = b ( N ) = 0.

Полином

исчезает в по предположению. Поскольку произведение симметрично, для любого мономы и имеют одинаковый коэффициент в разложении P .

Таким образом, расширяя соответственно и сгруппировав члены с одинаковым показателем степени, мы видим, что полученные показатели степени образуют полный набор сопряженных чисел, и, если два члена имеют показатели сопряжения, они умножаются на один и тот же коэффициент.

Итак, мы находимся в ситуации леммы А. Чтобы прийти к противоречию, достаточно убедиться, что хотя бы один из коэффициентов отличен от нуля. Это видно, если снабдить C лексикографическим порядком и выбрать для каждого фактора в произведении член с ненулевым коэффициентом, который имеет максимальный показатель в соответствии с этим порядком: произведение этих членов имеет ненулевой коэффициент в разложении и не не упрощаться никаким другим термином. Это доказывает Лемму Б. ∎

Последний шаг

[ редактировать ]

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

Покажем, что это приводит к противоречию, и тем самым докажем теорему. Доказательство очень похоже на доказательство леммы B, за исключением того, что на этот раз выбор делается среди 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 ) , где a ( i ) 1 = a ( i ).

Пусть S — функции σ, выбирающие по одному элементу из каждой из последовательностей (1,..., d (1)), (1,..., d (2)),...,(1,.. ., d ( n )), так что для каждого 1 ⩽ i n σ( i ) является целым числом от 1 до d ( i ). Сформируем полином от переменных

Поскольку произведение охватывает все возможные функции выбора σ, Q симметричен относительно для каждого я . Следовательно, Q является многочленом с целыми коэффициентами от элементарных симметричных многочленов от вышеуказанных переменных для каждого i и от переменных y i . Каждый из последних симметричных полиномов является рациональным числом при вычислении в .

Оцененный полином исчезает, потому что один из вариантов — это просто σ( i ) = 1 для всех i , для которого соответствующий фактор обращается в нуль согласно нашему предположению выше. Таким образом, оцениваемый полином представляет собой сумму вида

где мы уже сгруппировали члены с одинаковым показателем. Итак, в левой части мы имеем различные значения β(1), ..., β( N ), каждое из которых по-прежнему является алгебраическим (представляя собой сумму алгебраических чисел) и коэффициенты .Сумма нетривиальна: если максимален в лексикографическом порядке, коэффициент при является просто произведением a ( i ) j (с возможными повторениями), которое не равно нулю.

Умножая уравнение на соответствующий целочисленный коэффициент, мы получаем идентичное уравнение, за исключением того, что теперь b (1), ..., b ( N ) являются целыми числами. Следовательно, согласно лемме Б, равенство не может выполняться, и мы приходим к противоречию, завершающему доказательство. ∎

Обратите внимание, что леммы A достаточно, чтобы доказать, что , поскольку e иррационально в противном случае мы можем написать e = p / q , где и p, и q — ненулевые целые числа, но по лемме A мы будем иметь qe p ≠ 0, что противоречие. Леммы A также достаточно, чтобы доказать, что π иррационально, поскольку в противном случае мы можем написать π = k / n , где оба k и n — целые числа), а затем ± i π — корни n 2 х 2 + к 2 = 0; таким образом, 2 − 1 − 1 = 2 e 0 + и и π + и - я π ≠ 0; но это неверно.

Точно так же леммы B достаточно, чтобы доказать, что e трансцендентно, поскольку лемма B гласит, что если a 0 , ..., a n — целые числа, не все из которых равны нулю, то

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

Эквивалентность двух утверждений

[ редактировать ]

Формулировка теоремы Бейкера явно подразумевает первую формулировку. Действительно, если — алгебраические числа, линейно независимые над , и

является многочленом с рациональными коэффициентами, то имеем

и поскольку — алгебраические числа, линейно независимые от рациональных чисел, числа алгебраичны и различны для разных n -кортежей . Итак, из формулировки теоремы Бейкера мы получаем для всех n -кортежей .

Предположим теперь, что справедлива первая формулировка теоремы. Для Формулировка Бейкера тривиальна, поэтому предположим, что , и пусть быть ненулевыми алгебраическими числами и различные алгебраические числа такие, что:

Как видно из предыдущего раздела и с использованием тех же обозначений, значение полинома

в

имеет выражение вида

где мы сгруппировали экспоненты, имеющие один и тот же показатель. Здесь, как было доказано выше, являются рациональными числами, не все из которых равны нулю, и каждый показатель степени представляет собой линейную комбинацию с целыми коэффициентами. Тогда, поскольку и попарно различны, то -векторное подпространство из созданный нетривиально, и мы можем выбрать сформировать основу для Для каждого , у нас есть

Для каждого позволять быть наименьшим общим кратным всех для , и положить . Затем являются алгебраическими числами, они составляют основу и каждый представляет собой линейную комбинацию с целыми коэффициентами. Умножая соотношение

к , где — достаточно большое натуральное число, мы получаем нетривиальное алгебраическое соотношение с рациональными коэффициентами, связывающее , против первой формулировки теоремы.

[ редактировать ]

вариант теоремы Линдемана–Вейерштрасса, в котором алгебраические числа заменены трансцендентными числами Лиувилля (или, вообще, U- числами ). Известен также [12]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Линдеманн 1882а , Линдеманн 1882б .
  2. ^ Перейти обратно: а б Вейерштрасс 1885 , стр. 1067–1086,
  3. ^ ( Мёрти и Рат 2014 )
  4. ^ Эрмит 1873 , стр. 18–24.
  5. ^ Отшельник 1874 г.
  6. ^ Гельфонд 2015 .
  7. ^ Гильберт 1893 , стр. 216–219.
  8. ^ Гордан 1893 , стр. 222–224.
  9. ^ Бертран 1997 , стр. 339–350.
  10. ^ (на французском языке) Линдеманн-Вейерштрасс французского Пруфа (pdf) [ мертвая ссылка ]
  11. ^ С точностью до множителя это тот же интеграл, который появляется при доказательстве того, что e — трансцендентное число , где β 1 = 1, ..., β m = m . Остальная часть доказательства леммы аналогична этому доказательству.
  12. ^ Чалебгва, принц Табока; Моррис, Сидни А. (2022). «Sin, Cos, Exp и журнал чисел Лиувилля». arXiv : 2202.11293v1 [ math.NT ].

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a40ac951b6c01b9fb54fa97a5c390908__1699306620
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a4/08/a40ac951b6c01b9fb54fa97a5c390908.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Lindemann–Weierstrass theorem - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)