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).