林德曼-魏尔斯特拉斯定理

林德曼-魏尔斯特拉斯定理

数学定理
林德曼-魏尔斯特拉斯定理(Lindemann–Weierstrasstheorem)是一个可以用于证明实数的超越性的定理。它表明,如果α1,...,αn是代数数,在有理数ℚ内是线性独立的,那么在ℚ内是代数独立的;也就是说,扩张域在ℚ内具有超越次数n。一个等价的表述是:如果α1,...,αn是不同的代数数,那么指数在代数数范围内是线性独立的。这个定理由林德曼和魏尔斯特拉斯命名。林德曼在1882年证明了对于任何非零的代数数α,eα都是超越数,因此推出了圆周率是超越数。魏尔斯特拉斯在1885年证明了一个更一般的结果。这个定理,以及格尔丰德-施奈德定理,可以推广为Schanuel猜想。
  • 中文名:林德曼-魏尔斯特拉斯定理
  • 外文名:Lindemann–Weierstrass theorem
  • 适用领域:数学
  • 所属学科:数学
  • 本质:用于证明实数的超越性的定理
  • 研究者:林德曼、魏尔斯特拉斯

定理定义

如果是代数数,在有理数内是线性独立的,那么在内是代数独立的;也就是说,扩张域在内具有超越次数

一个等价的表述是:如果是不同的代数数,那么指数在代数数范围内是线性独立的。

定理推广

e和π的超越性

e和π的超越性是这个定理的直接推论。

利用反三角函数序列{arccoscos(πn)}的一个线性序列deg(cnπ)=1,去逼近deg(πn)=n的一个有理系数的多项式的方法去证明π为超越数。从而改进了1882年德国数学家林德曼关于的超越性证明。

假设是一个非零的代数数,那么在有理数范围内是线性独立的集合,因此根据定理的第一种表述,是一个代数独立的集合,也就是说,是超越数。特别地,是超越数。

另外,利用定理的第二种表述,我们可以证明,如果是一个非零的代数数,那么就是不同的代数数的集合,因此集合在代数数范围内是线性独立的,特别地,不能是代数数,因此一定是超越数。

我们来证明是超越数。如果v是代数数,2也是代数数(因为2是代数数),那么根据林德曼-魏尔斯特拉斯定理,(参见欧拉公式)也是超越数,这与-1是代数数的事实矛盾。

把这个证明稍微改变以下,可以证明如果α是一个非零的代数数,那么sin(α)、cos(α)、tan(α)和它们的双曲函数也是超越数。

p进数猜想

进数林德曼-魏尔斯特拉斯猜想,就是这个定理在进数中也成立:假设是素数,进数,它们都是代数数,且在内线性独立,使得对于所有的,都有。那么进指数在内是代数独立的。

验证推导

假设是一个无界序列,则有一个子序列使得存在。由于是无界的,故而对于所有的中的元素的绝对值无限次超过k。

。不难发现,集合非空。

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