林德曼-魏爾斯特拉斯定理

林德曼-魏爾斯特拉斯定理(Lindemann–Weierstrass theorem)是一個可以用於證明實數的超越性的定理。它表明,如果 α1,...,αn 是代數數,在有理數 ℚ 內是線性獨立的,那么在 ℚ 內是代數獨立的;也就是說,擴張域在 ℚ 內具有超越次數 n。 一個等價的表述是:如果 α1,...,αn 是不同的代數數,那么指數  在代數數範圍內是線性獨立的。 這個定理由林德曼和魏爾斯特拉斯命名。林德曼在1882年證明了對於任何非零的代數數α,eα都是超越數,因此推出了圓周率是超越數。魏爾斯特拉斯在1885年證明了一個更一般的結果。 這個定理,以及格爾豐德-施奈德定理,可以推廣為Schanuel猜想。

定理定義

如果 α1,...,α n 是代數數,在有理數 ℚ 內是線性獨立的,那么在 ℚ 內是代數獨立的;也就是說,擴張域在 ℚ 內具有超越次數 n。

一個等價的表述是:如果 α1,...,α n 是不同的代數數,那么指數  在代數數範圍內是線性獨立的。

定理推廣

]ei]和π的超越性

e和π的超越性是這個定理的直接推論。

假設α是一個非零的代數數,那么{α}在有理數範圍內是線性獨立的集合,因此根據定理的第一種表述,{ e}是一個代數獨立的集合,也就是說, e是超越數。特別地, e = e是超越數。

另外,利用定理的第二種表述,我們可以證明,如果α是一個非零的代數數,那么{0, α}就是不同的代數數的集合,因此集合在代數數範圍內是線性獨立的,特別地, e不能是代數數,因此一定是超越數。

現在,我們來證明π是超越數。如果π是代數數,2π i也是代數數(因為2 i是代數數),那么根據林德曼-魏爾斯特拉斯定理, e[sup] i[/sup] = 1(參見歐拉公式)也是超越數,這與1是代數數的事實矛盾。

把這個證明稍微改變以下,可以證明如果α是一個非零的代數數,那么sin(α)、cos(α)、tan(α)和它們的雙曲函式也是超越數。

]pi]進數猜想

p進數林德曼-魏爾斯特拉斯猜想,就是這個定理在p進數中也成立:假設 p是素數,α1,...,α n是 p進數,它們都是代數數,且在 Q內線性獨立,使得對於所有的 i,都有。那么p進指數在 Q內是代數獨立的。

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