两个著名的超越数
(2014-03-22 16:41:31)
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分类: 数学世界 |
由爱米特-林德曼定理可以推出:超越数的个数比代数数多得多。但在科学中最著名、最用得多的却是圆周率π和欧拉数e。
1. 圆周率π
由中学数学里知道,单位圆的周长,可以定义为当边数增加时,正多边形周长的序列的极限。这样确定的周长记为2π,更精确些说,如果pn记内接正n变形的边长,qn记外切正n边形的边长,那么pn<2π<qn。并且,当n增加时,序列pn,qn都单调趋近2π,所以,我们在用pn或qn逼近2π时,每走一步,都得到一个更小的误差界限。
π在历史上并没有不变的名称,如国外曾叫鲁道夫数,在我国曾叫祖率、环率、圆率等。1706年,英国数学家琼斯首先正式用π表示圆周率,从此,人们就用π表示圆周率了。
最先给出π实用而较准确的值3.14的是希腊学者阿基米德(公元前240年左右),最先给出π小数后四位准确值的是希腊人托勒玫(公元前150年左右),最早算出π小数后七位准确值的是我国的祖冲之(480年左右),1610年,荷兰籍德国数学家鲁道夫花费了毕生精力把π算到了小数后35位,从而使自己长眠于刻有36位π值的墓碑下。当然,现代计算机已能将π算到任意多位了。
证明π是超越数经历了漫长的岁月,最后与三大难题中的末一个同时得到解决。三大古典难题自公元前六至四世纪难倒希腊人,进而困扰人类二千多年,在十九世纪才解决。最后解决的是“化圆为方”。在尺规作图题中,如要经过无数次作图,那这个作图就是不可能。“化圆为方”要牵涉π这个超越数,必然要无数次作图,因而是不可能的。所以问题的关键是:证明π是超越数。1767年德国数学家兰伯特首先证明了π是无理数;1794年,勒让德在证明π2是无理数的同时,首先猜测π可能是超越数,但距证明π是超越数既只有一步之近却又有一步之遥。最先在原则上解决“化圆为方”和这类问题的是法国数学家伽罗瓦。他1830年19岁就提出了解决这类问题的系统理论和方法,按其理论和方法,三大难题及这类问题,只不过是一些推论或习题。不过,伽罗瓦没能彻底解决“化圆为方”,因为他的理论要解决这一问题必须证明π是超越数。直到1882年,即他的理论建立后52年才由德国数学家林德曼给出了π是超越数的严格证明。
2. 欧拉数e
为什么以e为底的对数叫做自然对数呢?这是由于:反映自然界规律的函数关系,若是以指数形式或对数形式出现的,必定是而且只是以e为底的。同时,正因为如此,e在自然科学中的作用,并不亚于π。如,原子物理和地质学中考察放射性物质的衰变规律或地球年龄时要用e,在用齐奥尔科夫斯基公式算火箭速度时又要用e,甚至算储蓄最优利息及生物增殖问题时用复利率,也要用e。
用e作底有许多好处。如,以e为底编制对数表最好(要以10或他数作底,只须乘以变换模即可),这是在牛顿-莱布尼兹奠定了微积分基础后人们才清醒地认识到的真理。又如,以e为底时,微积分公式具有最简洁的形式;简言之,用任何除1以外的正数为底的函数做微积分运算后,都会出现以e为底的函数。
有趣的是,e和π虽不能用有限的式子表示出来,但却可有多种方法用无穷级数表示。