πe是无理数的证明

证明π是无理数

用反证法,假设

π=qpp,qZ+

构造函数

f(x)=xn(qpx)nn!=pnxn(πx)nn!

f(x)展开后变为

f(x)=c0n!xn+c1n!xn+1++cnn!x2n

容易发现f(x)0处的k(kZ+,kn)阶导数为0Z.

f(x)k(kZ+,kn)阶导数为

f(k)(x)=cknn!k!+ckn+1n!k!1!x++cnn!k!(2nk)!x2nk
f(k)(0)=cknn!k!Z+(kn)
kZ,f(k)(0)Z
f(x)=f(πx)  f(k)(π)Z

考察积分

0πf(x)sinxdx

反复运用分部积分法,可得

0πf(x)sinxdx=0πf(x)d(cosx)=f(x)(cosx)|0π+0πcosxf(x)dx=f(0)+f(π)+0πf(x)d(sinx)=f(0)+f(π)+f(x)sinx|0π0πsinxf(x)dx=f(0)+f(π)f(0)f(π)++(1)nf(2n)(0)+(1)nf(2n)(π)Z

另一方面,当x[0,π],有

0qpx=p(πx)q
0pn(πx)nn!=xn(qpx)nn!πnqnn!
0<0πf(x)sinxdx0πf(x)dx<πn+1qnn!

n充分大时,必有πn+1qn<n!,即πn+1qnn!<1,那么0πf(x)sinxdx不是整数,与先前它是整数的结论矛盾.
所以π不是有理数,是无理数. Q.E.D

证明e是无理数

同样也用反证法,假设

e=qpp,qZ+

根据泰勒展开,知道

e=1+1+12!+13!++1n!+

将等式e=qp两边乘以pn!,得到

pn!e=qn!Z

pn!e=pn!(1+1+12!+13!++1n!+)=pn!(1+1+12!+13!++1n!)+p[1n+1+1(n+1)(n+2)+]

显然pn!(1+1+12!+13!++1n!)是整数,记

M=p[1n+1+1(n+1)(n+2)+]M<p[1n+1+1(n+1)2+]=p1n+111n+1=pn

n足够大时,必有p<n,即pn<1,M不是整数,与上面推出的pn!eZ矛盾.所以e不是有理数,是无理数.

Q.E.D