Dimostrazione della irrazionalità di e
Il numero e fu introdotto nel 1683 da Jacob Bernoulli. Più di mezzo secolo dopo, Eulero, che fu uno studente di Johann Bernoulli (fratello minore di Jacob), dimostrò che è irrazionale; cioè, non può essere espresso come rapporto tra due interi.
Dimostrazione di Eulero
Eulero scrisse la prima dimostrazione dell'irrazionalità di nel 1737 (ma il testo venne pubblicato solamente sette anni dopo).[1][2][3] Il matematico svizzero calcolò la rappresentazione di come frazione continua semplice, che è
Poiché questa frazione continua è infinita mentre ogni numero razionale è rappresentato da una finita, è irrazionale. Per una breve dimostrazione della frazione continua di , vedere Cohn (2006). [4][5] Poiché la frazione continua di non è periodica, questo dimostra anche che non è radice di un polinomio di secondo grado a coefficienti razionali; in particolare, è irrazionale.
Dimostrazione di Fourier
La dimostrazione più conosciuta è quella di Joseph Fourier procedendo per assurdo,[6] che si basa sull'identità
Si supponga che sia un numero razionale. Allora esistono e interi positivi tale che . Da notare che non può essere uguale a 1 dato che non è un intero. Si può dimostrare utilizzando la precedente identità che è strettamente compreso tra e :
Si definisca il numero
Se è razionale, allora è un intero, infatti sostituendo nella definizione di si ottiene
Il primo termine è un intero, e ogni frazione nella somma è in effetti anch'essa un intero poiché per ogni termine. Pertanto, è un intero.
Si dimostra ora che . Prima, per mostrare che è strettamente positivo, si inserisce la rappresentazione in serie di nella definizione di , da cui si ricava
poiché tutti i termini sono strettamente positivi.
Resta da dimostrare che . Per tutti i termini con si ha la stima superiore
Questa disuguaglianza è stretta per ogni . Cambiando l'indice della sommatoria in e utilizzando la formula della serie geometrica, si ottiene
Dal momento che non esistono degli interi strettamente compresi tra e , si è ottenuta una contraddizione e quindi deve essere irrazionale. Q.E.D.
Dimostrazioni alternative
Si può ottenere un'altra dimostrazione[7] da quella precedente notando che
e questa disuguaglianza è equivalente a . Questo è ovviamente impossibile, poiché e sono numeri naturali.
Un'altra dimostrazione ancora[8][9] deriva dal fatto che
Si definisca come segue:
Questo implica che per ogni intero
Si nota che è sempre un intero. Si assuma che sia razionale.
Quindi, dove sono coprimi e . È possibile scegliere propriamente in modo che sia un intero, cioè prendendo .
Perciò, con questa scelta, la differenza tra e dovrebbe essere un intero. Ma segue dalla disuguaglianza precedente che è impossibile. Quindi, è irrazionale. Questo significa che è irrazionale.
Generalizzazioni
Nel 1840, Liouville pubblicò una dimostrazione dell'irrazionalità di [10] seguita dalla dimostrazione che quest'ultimo non è neanche una radice di un polinomio di secondo grado a coefficienti razionali.[11] Questo ultimo risultato implica che è irrazionale. Le sue dimostrazioni erano simili a quella di Fourier dell'irrazionalità di . Nel 1891, Hurwitz spiegò come è possibile dimostrare attraverso la stessa strategia che non è una radice di un polinomio di terzo grado a coefficienti razionali.[12] In particolare, è irrazionale.
Più in generale, è irrazionale per ogni razionale diverso da zero.[13]
Note
- ^ Leonhard Euler, De fractionibus continuis dissertatio [A dissertation on continued fractions] (PDF), in Commentarii academiae scientiarum Petropolitanae, vol. 9, 1744, pp. 98-137.
- ^ Leonhard Euler, An essay on continued fractions, in Mathematical Systems Theory, vol. 18, 1985, pp. 295-398, DOI:10.1007/bf01699475.
- ^ C. Edward Sandifer, Chapter 32: Who proved e is irrational?, in How Euler did it, Mathematical Association of America, 2007, pp. 185-190, ISBN 978-0-88385-563-8, LCCN 2007927658.
- ^ A Short Proof of the Simple Continued Fraction Expansion of e
- ^ Henry Cohn, A short proof of the simple continued fraction expansion of e, in American Mathematical Monthly, vol. 113, n. 1, Mathematical Association of America, 2006, pp. 57-62, DOI:10.2307/27641837, JSTOR 27641837.
- ^ Janot de Stainville, Mélanges d'Analyse Algébrique et de Géométrie [A mixture of Algebraic Analysis and Geometry], Veuve Courcier, 1815, pp. 340-341.
- ^ A. R. G. MacDivitt e Yukio Yanagisawa, An elementary proof that e is irrational, in The Mathematical Gazette, vol. 71, n. 457, London, Mathematical Association, 1987, p. 217, DOI:10.2307/3616765, JSTOR 3616765.
- ^ L. L. Penesi, Elementary proof that e is irrational, in American Mathematical Monthly, vol. 60, n. 7, Mathematical Association of America, 1953, p. 474, DOI:10.2307/2308411, JSTOR 2308411.
- ^ Apostol, T. (1974). Mathematical analysis (2nd ed., Addison-Wesley series in mathematics). Reading, Mass.: Addison-Wesley.
- ^ Joseph Liouville, Sur l'irrationalité du nombre e = 2,718…, in Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, 1, vol. 5, 1840, p. 192.
- ^ Joseph Liouville, Addition à la note sur l'irrationnalité du nombre e, in Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, 1, vol. 5, 1840, pp. 193-194.
- ^ Adolf Hurwitz, Über die Kettenbruchentwicklung der Zahl e, in Mathematische Werke, vol. 2, Basel, Birkhäuser, 1933 [1891], pp. 129-133.
- ^ Martin Aigner e Günter M. Ziegler, Proofs from THE BOOK, 4th, Berlin, New York, Springer-Verlag, 1998, pp. 27-36, DOI:10.1007/978-3-642-00856-6, ISBN 978-3-642-00855-9..
Voci correlate
- Definizioni della funzione esponenziale
- Dimostrazione della irrazionalità di π
- Teorema di Lindemann-Weierstrass
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