Теорема Линдеманна – Вейерштрасса
Часть серии статей о |
математическая константа π |
---|
3.14159 26535 89793 23846 26433... |
Использование |
Характеристики |
Ценить |
Люди |
История |
В культуре |
Связанные темы |
Часть серии статей о |
математическая константа е |
---|
Характеристики |
Приложения |
Определение е |
Люди |
Связанные темы |
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 (α 1 ), . . . , exp p (α 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 ℓ — 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.
Связанный результат
[ редактировать ]вариант теоремы Линдемана–Вейерштрасса, в котором алгебраические числа заменены трансцендентными числами Лиувилля (или, вообще, U- числами ). Известен также [12]
См. также
[ редактировать ]- Теорема Гельфонда – Шнайдера
- теорема Бейкера ; расширение теоремы Гельфонда – Шнайдера
- Гипотеза Шануэля ; если оно будет доказано, это будет означать как теорему Гельфонда – Шнайдера, так и теорему Линдеманна – Вейерштрасса.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Линдеманн 1882а , Линдеманн 1882б .
- ^ Перейти обратно: а б Вейерштрасс 1885 , стр. 1067–1086,
- ^ ( Мёрти и Рат 2014 )
- ^ Эрмит 1873 , стр. 18–24.
- ^ Отшельник 1874 г.
- ^ Гельфонд 2015 .
- ^ Гильберт 1893 , стр. 216–219.
- ^ Гордан 1893 , стр. 222–224.
- ^ Бертран 1997 , стр. 339–350.
- ^ (на французском языке) Линдеманн-Вейерштрасс французского Пруфа (pdf) [ мертвая ссылка ]
- ^ 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.
- ^ Чалебгва, принц Табока; Моррис, Сидни А. (2022). «Sin, Cos, Exp и журнал чисел Лиувилля». arXiv : 2202.11293v1 [ math.NT ].
Ссылки
[ редактировать ]- Гордан, П. (1893), «Трансцендентность e и π ». , Mathematical Annals , 43 (2–3): 222–224, doi : 10.1007/bf01443647 , S2CID 123203471
- Эрмит, К. (1873), «О показательной функции». , Труды Парижской академии наук , 77 : 18–24.
- Эрмит, К. (1874), О показательной функции. , Париж: Готье-Виллар
- Гильберт, Д. (1893), «О трансцендентности чисел e и π ». , Mathematical Annals , 43 (2–3): 216–219, doi : 10.1007/bf01443645 , S2CID 179177945 , заархивировано из оригинала 06 октября 2017 г. , получено 24 декабря 2018 г.
- Линдеманн, Ф. (1882), «О числе Людольфа». , Труды Королевской прусской академии наук в Берлине , 2 : 679–682.
- Линдеманн, Ф. (1882), «О числе π ». , Mathematical Annals , 20 : 213–225, doi : 10.1007/bf01446522 , S2CID 120469397 , заархивировано из оригинала 06 октября 2017 г. , получено 24 декабря 2018 г.
- Мурти, М. Рам; Ратх, Пурушоттам (2014). «Теорема Бейкера». Трансцендентные числа . стр. 95–100. дои : 10.1007/978-1-4939-0832-5_19 . ISBN 978-1-4939-0831-8 .
- Вейерштрасс, К. (1885), «О трактате Линдеманна. «О числе Людольфа».» , Труды Королевской прусской академии наук в Берлине , 5 : 1067–1085.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- 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), «Тэта-функции и трансцендентность», The Ramanujan Journal , 1 (4): 339–350, doi : 10.1023/A:1009749608672 , S2CID 118628723
- Гельфонд, АО (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
- Джейкобсон, Натан (2009) [1985], Основная алгебра , том. Я (2-е изд.), Dover Publications , ISBN 978-0-486-47189-1