Niewymierność
i jeszcze większe
niemożliwości
Punktem wyjścia niech będzie najsłynniejsza chyba matematyczna konstatacja,
ta mianowicie, że liczba
jest niewymierna...
Można to wysłowić w następujący równoważny i tendencyjny sposób.
Czy twierdzenie to można wzmocnić? Okazuje się, że tak! Zachodzi mianowicie
Zauważmy przede wszystkim, że jeśli liczba całkowita
nie dzieli
się przez
to
Ponieważ
więc
oraz
Zatem
i stąd
również
Istnieją więc takie liczby całkowite
że
oraz
Wynika stąd, że
wyjściowe liczby
są podzielne przez dowolnie wysokie potęgi
liczby
a to jest możliwe tylko dla
Okazuje się, że można to jeszcze bardziej uogólnić!
Z równości
wynika bowiem, że

Z twierdzenia 2 wynika teraz, że
i stąd
Z równości
otrzymujemy ostatecznie
Jak Czytelnik słusznie przeczuwa, niemożliwości nie mogą rozpychać się w nieskończoność, a w naszym przypadku przygważdża je
Łatwo zauważyć, że powyższe twierdzenie można wypowiedzieć w następujący równoważny sposób:
Twierdzenie. Dla każdej liczby całkowitej
istnieją takie liczby
wymierne
że

Kluczowy jest poniższy lemat.
Dowód wynika z następujących tożsamości:
![]() |
oraz

gdzie oznaczyliśmy
Z lematu 1 wynika przede wszystkim, że dla dowodu twierdzenia 4 wystarczy
rozpatrzyć tylko przypadek
gdyż

Dowód przeprowadzimy przez indukcję ze względu na
Dla
oraz
mamy przedstawienia

Załóżmy z kolei, że
i teza zachodzi dla
Rozróżniamy
teraz dwa przypadki. Jeżeli
jest liczbą złożoną, to
gdzie
oraz
Z lematu 1 wynika więc odpowiednie
przedstawienie dla
Jeżeli
jest liczbą pierwszą, to sytuacja
jest bardziej skomplikowana. Przyda się następujący
Załóżmy od razu, że
Reszty mod
liczb

są parami różne i jest ich
Podobnie, reszty mod
liczb

są parami różne i jest ich
Ponieważ wszystkich reszt mod
jest tylko
więc pewna reszta typu
pokrywa się
z pewną resztą typu
co daje tezę lematu 2.
Ponieważ
więc w lemacie 2 możemy
założyć, że liczby całkowite
i
spełniają dodatkowo
nierówności

Mamy zatem oszacowania

Ponieważ
więc

Możemy zatem napisać

Na mocy założenia indukcyjnego liczba naturalna
ma przedstawienie

Wnosimy stąd na podstawie lematu 1, że liczba

też ma takie przedstawienie i to kończy dowód indukcyjny twierdzenia.
Wyniki przedstawione powyżej są kompletne, ale dość sztuczne. Szczęście
nam sprzyjało, gdyż forma kwadratowa
jest tzw.
formą normową dla algebry kwaternionowej
– stąd wynika
„cudowna” tożsamość wypisana w Lemacie 1. A gdyby nie pomagać
szczęściu aż tak bardzo? Okazuje się, że prawdziwe jest następujące ogólne
twierdzenie.
Twierdzenie 5. Jeżeli liczby wymierne
są różne od
zera oraz nie są wszystkie tego samego znaku to istnieją takie liczby wymierne
że

Dowód tego twierdzenia wymaga zastosowania poważnej i pięknej matematyki. Ważnymi jego składnikami są: prawo wzajemności dla reszt kwadratowych oraz twierdzenie Dirichleta o liczbach pierwszych w postępie arytmetycznym. To wszystko, i dużo więcej, znajdzie Czytelnik w zajmującej książce: Z.I. Borewicz, I.R. Szafarewicz, Теория чисел, Moskwa 1985 (istnieją tłumaczenia na angielski i niemiecki).