Przeskocz do treści

Delta mi!

Niewymierność math i jeszcze większe niemożliwości

Mariusz Skałba

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: lipiec 2014
  • Publikacja elektroniczna: 01-07-2014
  • Autor: Mariusz Skałba
    Afiliacja: Instytut Matematyki, Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Uniwersytet Warszawski
  • Wersja do druku [application/pdf]: (181 KB)

Punktem wyjścia niech będzie najsłynniejsza chyba matematyczna konstatacja, ta mianowicie, że liczba math jest niewymierna...

Można to wysłowić w następujący równoważny i tendencyjny sposób.

Twierdzenie 1. Jeśli liczby całkowite math spełniają równanie math to math

Czy twierdzenie to można wzmocnić? Okazuje się, że tak! Zachodzi mianowicie

Twierdzenie 2. Jeśli math oraz math to math

Zauważmy przede wszystkim, że jeśli liczba całkowita math nie dzieli się przez math
to math Ponieważ math więc math oraz math Zatem math i stąd również math Istnieją więc takie liczby całkowite math że math oraz math Wynika stąd, że wyjściowe liczby math są podzielne przez dowolnie wysokie potęgi liczby math a to jest możliwe tylko dla math

Okazuje się, że można to jeszcze bardziej uogólnić!

Twierdzenie 3. Jeśli math oraz math to math

Z równości math wynika bowiem, że

display-math

Z twierdzenia 2 wynika teraz, że math i stąd math Z równości math otrzymujemy ostatecznie math

Jak Czytelnik słusznie przeczuwa, niemożliwości nie mogą rozpychać się w nieskończoność, a w naszym przypadku przygważdża je

Twierdzenie 4. Dla każdej liczby całkowitej math istnieją takie liczby całkowite mathnie wszystkie równe mathże

display-math

Łatwo zauważyć, że powyższe twierdzenie można wypowiedzieć w następujący równoważny sposób:

Twierdzenie. Dla każdej liczby całkowitej math  istnieją takie liczby wymierne math że

display-math

Kluczowy jest poniższy lemat.

Lemat 1. Iloczyn i iloraz dwóch liczb postaci math jest też tej postaci.

Dowód wynika z następujących tożsamości:

  2    2    2    2   2     2    2    2
(x1− 2y1 −3z1 +6t1)(x2 −2y 2− 3z2 + 6t2) =
   = (x1x2 + 2y1y2 + 3z1z2 − 6t1t2)2− 2(x1y2 + x2y1− 3z1t2 +3z2t1)2−
                                     2                          2
         − 3(x1z2 + x2z1 +2y1t2− 2y2t1) + 6(x1t2 +x2t1 + y1z2− y2z1)

oraz

display-math

gdzie oznaczyliśmy math

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

display-math

Dowód przeprowadzimy przez indukcję ze względu na math  Dla math oraz math  mamy przedstawienia

display-math

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

Lemat 2. Jeśli mathjest liczbą pierwszą, to istnieją takie liczby całkowite math że

display-math

Załóżmy od razu, że math Reszty mod math liczb

display-math

są parami różne i jest ich math Podobnie, reszty mod math liczb

display-math

są parami różne i jest ich math Ponieważ wszystkich reszt mod math jest tylko math więc pewna reszta typu math pokrywa się z pewną resztą typu math co daje tezę lematu 2.

Ponieważ math więc w lemacie 2 możemy założyć, że liczby całkowite math i  math spełniają dodatkowo nierówności

display-math

Mamy zatem oszacowania

display-math

Ponieważ math więc

display-math

Możemy zatem napisać

display-math

Na mocy założenia indukcyjnego liczba naturalna math ma przedstawienie

display-math

Wnosimy stąd na podstawie lematu 1, że liczba

display-math

też ma takie przedstawienie i to kończy dowód indukcyjny twierdzenia.

Wyniki przedstawione powyżej są kompletne, ale dość sztuczne. Szczęście nam sprzyjało, gdyż forma kwadratowa math jest tzw. formą normową dla algebry kwaternionowej math – 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 mathsą różne od zera oraz nie są wszystkie tego samego znaku to istnieją takie liczby wymierne math że

display-math

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).