經典論證:「幾乎」所有的有理數都是無理數的無理數次方

一個無理數的無理數次方是否有可能是一個有理數?這是一個非常經典的老問題了。答案是肯定的,證明方法非常巧妙:考慮根號 2 的根號 2 次方。如果這個數是有理數,問題就已經解決了。如果這個數是無理數,那麼就有:

經典論證:“幾乎”所有的有理數都是無理數的無理數次方

我們同樣會得到一個無理數的無理數次方是有理數的例子。

經典論證:“幾乎”所有的有理數都是無理數的無理數次方

這是一個典型的非構造性證明的例子:我們證明了無理數的無理數次方有可能等於有理數,但卻並沒有給出一個確鑿的例子。畢竟我們也不知道,真實情況究竟是上述推理中的哪一種。那麼,真實情況究竟是上述推理中的哪一種呢? Gelfond-Schneider 定理告訴我們,假設 α 和 β 都是代數數,如果 α 不等於 0 和 1 ,並且 β 不是有理數,那麼 α 的 β 次方一定是超越數。根據這一定理我們可以立即看出,根號 2 的根號 2 次方真的是一個無理數,實際情況應該是上述推理中的後者。

那麼,是否存在一個無理數 a ,使得 a 的 a 次方是有理數呢?最近, Stan Dolan 證明了這樣一個結論:事實上,幾乎所有 (1, ∞) 裡的有理數都是某個無理數 a 的 a 次方。

注意到當 x 大於 1 時,函數 f(x) = xx 是連續單調遞增的,因而對於所有 (1, ∞) 裡的有理數 r ,一定存在唯一的 a ,使得 aa = r 。不妨假設 a 是一個有理數,它的最簡分數形式是 n / m 。如果 m = 1 ,那麼我們會有平凡解 nn = r 。下面我們證明, m 是不可能大於 1 的,否則會產生矛盾。

經典論證:“幾乎”所有的有理數都是無理數的無理數次方

假設有理數 r 的最簡分數形式是 c / b ,於是我們有:

(n / m)n / m = c / b

或者說:

nn · bm = mn · cm

注意到, mn 是 nn · bm 的約數。然而, m 和 n 是互質的, mn 與 nn 沒有公共因子,因而 mn 一定是 bm 的約數。同理, bm 是 mn · cm 的約數,但由於 b 和 c 是互質的,因此 bm 一定是 mn 的約數。 mn 和 bm 怎麼可能互為對方的約數呢?只有一種可能,就是 mn 等於 bm 。

既然 mn = bm ,說明 m 和 b 肯定有大於 1 的公因數。假設 p 是 m 和 b 的某個公共質因數。我們把 m 和 b 中的所有質因數 p 都提出來,將它們寫成 m = pi · k 和 b = pj · l ,其中 k 和 l 都不再含有質因數 p 。於是, mn = bm 就可以重新寫為:

pi·n · kn = pj·m · lm

既然 mn 是等於 bm 的,它們一定含有相同數量的質因數 p ,因而 i·n = j·m ,可知 m 是 i·n 的約數。但是 m 和 n 是互質的,因此 m 一定是 i 的約數。最後,注意到 pi 是 m 的約數,從而也就是 i 的約數。於是矛盾產生了:由於 p ≥ 2 ,因此 pi 一定嚴格地大於 i ,不可能是它的約數。

經典論證:“幾乎”所有的有理數都是無理數的無理數次方

因此,對於所有大於 1 的有理數,除非它恰好等於某個整數 n 的 n 次方,否則它都將是某個無理數 a 的 a 次方。


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