如何證明圓周率為無理數?

墨語九幽


在三千多年前,人們就已經開始使用圓周率。但直到兩百多年前,圓周率是無理數才被德國數學家蘭伯特所證明。

所謂的無理數是指無法用分數表示的數,只能寫作無限不循環的小數。當年,蘭伯特發現,tan(x)可用如下的連分式展開表示:

然後,他證明了倘若x是非零的有理數,那麼,上述表達式肯定就是一個無理數。由於tan(π/4)=1,1是有理數,所以π/4是一個無理數,由此就證明了圓周率π是一個無理數。

其他證明π是無理數的方法大都是用到微積分和反證法,下面介紹一下由美國數學家伊萬·尼文(Ivan M. Niven)在1947年證明π是無理數的方法。

假設π是有理數,那麼,它可以由分數表示,令π=a/b,其中a和b均為整數。

定義如下的函數f(x)和F(x):

上述兩式中的n都是正整數。

根據上式可知,f(x)及其任意階導數f^k(x)都滿足f(x)=f(π-x),並且它們都在x=0和x=π處可積。此外,f^k(0)和f^k(π)都是整數。顯然,F(0)和F(π)也都是整數。

通過對F'(x)sinx-F(x)cosx進行求導可得:

由此可得下式:

由於F(0)和F(π)均為整數,所以F(0)+F(π)也是整數。當x∈(0, π)時,f(x)>0,並且sinx>0,所以f(x)sinx>0,這也意味著F(π)+F(0)>0。也就是說,f(x)sinx在[0, π]上的積分是一個正整數。

另一方面,當x∈(0, π)時,a-bx


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