林德曼-魏爾斯特拉斯定理

林德曼-魏爾斯特拉斯定理

數學定理
林德曼-魏爾斯特拉斯定理(Lindemann–Weierstrasstheorem)是一個可以用于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内是線性獨立的,那麼在ℚ内是代數獨立的;也就是說,擴張域在ℚ内具有超越次數n。一個等價的表述是:如果α1,...,αn是不同的代數數,那麼指數在代數數範圍内是線性獨立的。這個定理由林德曼和魏爾斯特拉斯命名。林德曼在1882年證明了對于任何非零的代數數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。
  • 中文名:林德曼-魏爾斯特拉斯定理
  • 外文名:Lindemann–Weierstrass theorem
  • 适用領域:數學
  • 所屬學科:數學
  • 本質:用于證明實數的超越性的定理
  • 研究者:林德曼、魏爾斯特拉斯

定理定義

如果是代數數,在有理數内是線性獨立的,那麼在内是代數獨立的;也就是說,擴張域在内具有超越次數

一個等價的表述是:如果是不同的代數數,那麼指數在代數數範圍内是線性獨立的。

定理推廣

e和π的超越性

e和π的超越性是這個定理的直接推論。

利用反三角函數序列{arccoscos(πn)}的一個線性序列deg(cnπ)=1,去逼近deg(πn)=n的一個有理系數的多項式的方法去證明π為超越數。從而改進了1882年德國數學家林德曼關于的超越性證明。

假設是一個非零的代數數,那麼在有理數範圍内是線性獨立的集合,因此根據定理的第一種表述,是一個代數獨立的集合,也就是說,是超越數。特别地,是超越數。

另外,利用定理的第二種表述,我們可以證明,如果是一個非零的代數數,那麼就是不同的代數數的集合,因此集合在代數數範圍内是線性獨立的,特别地,不能是代數數,因此一定是超越數。

我們來證明是超越數。如果v是代數數,2也是代數數(因為2是代數數),那麼根據林德曼-魏爾斯特拉斯定理,(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,那麼sin(α)、cos(α)、tan(α)和它們的雙曲函數也是超越數。

p進數猜想

進數林德曼-魏爾斯特拉斯猜想,就是這個定理在進數中也成立:假設是素數,進數,它們都是代數數,且在内線性獨立,使得對于所有的,都有。那麼進指數在内是代數獨立的。

驗證推導

假設是一個無界序列,則有一個子序列使得存在。由于是無界的,故而對于所有的中的元素的絕對值無限次超過k。

。不難發現,集合非空。

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