如果没有超越数,那么实数是不是可数集?

  摘要:从数学发展史的角度,较全面地叙述人类发现超越数是数学的两个侧面,即从代数数论集论得到超越数是存在的。并简单介绍两个常见的超越数e和π。
  关键词:代数无理数超越无理数e,π,γ-欧拉(Euler)数有理数
  我们来回顾一下数系的状况,早在18世纪时,虽然在弄清无理数概念方面没有什么成就,但是对无理数本身还是作出了某些进展。1737年Euler()基本上证明了和是无理数,Labert证明了是无理数。任何有理系数代数(多项式)方程的任何一个根(不管是实的还是复的)叫做一个代数数,这样方程…(1)的根叫做代数数,其中是有理数。因此所有的有理数和一部分无理数是代数数,这是因为,任一有理数(是方程的根),而是的根,不是代数数的数叫做超越数,因为Euler说过:“它们超越了代数方法的能力。”Euler至少早在1744年就认识到了代数数与超越数之间的这一差别。他猜测说,以有理数为底的有理数的对数,必定或者是有理数,或者是超越数,然而18世纪时不知道有哪一个数是超越数,因为证明超越数存在的问题仍旧没有解决。
  到19世纪中叶,关于代数无理数与超越无理数的工作,是朝着更好地了解无理数的方向跨进的一步。代数无理数与超越无理数之间的区别在19世纪已经完成了。值得一提的是超越数的存在的证明都是兵分两路地进行着。为此我们重新捡起它们的头绪。
  一方面,直到1844年前,是否存在任何超越数的问题没有解决,但就在这一年,Liouville证明了下述形式的任何一个数都是超越数:,其中是0到9的任意整数。
  要证明上述结论,Liouville先证明了几个关于用有理数逼近代数无理数的定一个代数数是满足代数方程(1)的任何一个实数或复数,其中都是整数。一个根叫做n次代数数是指它满足一个n次方程,但不满足低于n次的方程。有些代数数是有理数,它们都是一次的。Liouville证明如果是一个n次代数无理数x的任一近似值,则存在一个正数M使,这里p与是整数。这表明,对于一个n次代数无理数的任一有理逼近其精度必定达不到,换句话说,如果x是一个n次代数无理数,则必存在一个正数M使
  不等式,,当时无理数解p与,从而当时亦然。因此,对于一个固定的M,如果上述不等式对每一个正整数都有解,则x是超越数。Liouville证明他的那些无理数是满足上述最后的条件的,从而就证明了他的那些数都是超越数。
  另一方面,康托(Cantor)从集论中得到代数数集合是可数集证明。肯定存在不是代数数的实数。这样的数称为超越数。他的证明是这样的。
  和上叙述的一样代数数是满足方程(1)的任何实数或复数,其中都是整数,代数数的概念是有理数的自然扩充,因为后者构成这特殊性型。
  但并不是每一个实数都是代数数。这一差可以从康托的证明看出所有代数数的全体是可数的。由于所有实数的集合是不可数时,所以一定存在不是代数数的实数。
  将代数数集合排列成可数序列的方法如下,对于形如(1)的每一个方程,将正整数…(2)规定为它的“高度”。对于每一个确定的h,高度为h的方程(1)只有有限个。其中每一个方程最多只有n个不同的根。因此,由高度为h的方程得出的代数数只有有限个,于是我们可以将所有代数数排成一列,即先排高度为1的代数数,然后排高度为2的代数数,等等。这就进一步完善了超越的理论。不但证实了超越数的存在而且更进一步完善了超越数的理论。不但证实了超越数的存在而且更进一步指出了它是一个不可数集。难怪中国伟大的学者数学家华罗庚教授在其著的“数论导引”中感叹到“业已证明超越数之存在性,且实数中几乎全部是超越数,盖代数数集仅一可数集尔!”
  在识别特殊的超越数方面。其次跨进的一大步是1873年Hermite关于是超越数的证明,在得到这个结果以后,Hermite马络CarlWilhelmBorohardt()说:“我不敢去试着证明的超越性。如果其他人承担了这项工作对于他们的成功没有比我再高兴的人了,但相信我,我亲爱的朋友,这决不会不使他们花去一些力气。
  Legendre早曾猜测是超越数,FerdinadLindemann。()在1882年用实质和Hermite没有什么差别的方法证明了这个猜测,Lindemann指出,如果是不相同的代数数实的或复的而是不全为零的代数数,则和数不能是零,如果我们取,则可见当是非零代数数时,不能是代数数。由于可以取成1、是超越数,现在已知从而数不能是代数数,由于两个代数的乘积是代数数,而是代数数,所以不是代数数,是超越数的证明解决了著名的几何作图问题的最后一个项目,因为所有可作出的数都是代数数。

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不能满足任何整系数多项方程式的复数叫作超越数。

超越数的概念,首次出现在1748年出版的欧拉的著作《无穷分析引论》之中。他在该书第一卷第六章中,未加证明地断言:“如果数b不是底a的幂,其对数就不再是一个无理数。事实上,如果有假如a,b都是有理数,这等式不能成立,因而对于这种不是底a的幂的数b,其对数应当恰如其分地命名为超越数。”历史上第一个证明了超越数存在性的是法国数学家刘维尔(J.Liouville,),他于1851年构造了一个数:这个无限小数后来被称为“刘维尔数”。刘维尔成功地证明了这个数是一个超越数。 既然复数集合中既包含代数数,又包含超越数,那么它们各有多少呢?在“刘维尔数”构造出来之后二十多年,数学家康托证明了:所有代数数的集合是可数的,即代数数的个数与自然数一样多!在此基础上,康托根据他的集合论中的另外一个结论——实数集是不可数的,得知复数集也是不可数的,因而进一步得到一个结论:必定存在不是代数数的复数,因此超越数必定存在!这是关于超越数的存在性的第一个非构造性的证明,换句话说,康托并没有构造出一个具体的超越数就证明了它们的存在!数学中的许多证明就是用非构造性的方法来实现的。刘维尔的方法则是构造性的方法,即实际地生成一个对象并给出证明。这两种方法都是数学证明中的常用方法。一般情况下,我们考虑一个具体的对象比考虑一个抽象的对象要容易得多,但在数学中,有时却恰恰相反:证明某个具体的数是超越数远比非构造性地证明超越数的存在性更为困难和复杂。继刘维尔之后,数学家们为了证明某些具体的数的超越性付出了种种努力:1873年,法国数学家埃尔米特(C.Hermite,1822~l901)证明了自然对数的底 e=2.7182818…… 是超越数。1882年,德国数学数学家林德曼(Lindemann,1852~1939)证明了圆周率 π=3.1415926…… 是超越数。1900年,国际数学家大会上提出的希尔伯特23个问题中的第十个就是关于超越数的问题。希尔伯特推测像 这样的数是超越数。1929年,有人证明了 是超越数。1930年, 也被证明是超越数。证明某些数是超越数有着重大的意义,比如说π的超越性的证明就彻底地解决了古希腊三大作图问题中的化圆为方问题,即化圆为方是不可能的。判断某些给定的数是否超越数实在是太困难了,为了获得上述结果,一个多世纪以来,数学家们付出了艰苦的劳动。即便如此,这个领域仍旧迷雾重重。比如说,现在人们仍然无法断定像e+π和这样的数到底是代数数还是超越数。超越数与代数数有着明显的不同,甚至连运算法则也有区别。比如说,对于代数数成立的加法和乘法消去律,对于超越数来说就不成立。举个例子,如果对三个超越数a,b,c有下式成立:a+b=a+c 但b=c却不一定成立。类似地,对于这三个数,如果下式成立: a×b=a×c 但b=c也不一定成立。更加令人惊讶的是,根据康托的结论,代数数与超越数虽然都是无穷多个,但代数数是可数的而超越数是不可数的,换句话说,人们所知甚少的超越数的个数竟比代数数还要多得多!数学的确是一片浩瀚的海洋,即使是对“数”的自身的研究领域中,竟也蕴含着这许许多多的未知之谜等待着人们去探索其中的答案!

一个数的任意次方(除0以外)都不是有理数,这个数就叫做超越数.如圆周率和自然对数中的底.

不能满足任何整系数多项方程式的复数叫作超越数。
对于数,我们习惯的分类法,是虚数,实数,再分无理数,有理数,...
但我们还能按代数方程的解来分,把能满足整系数代数方程的数,称代数数;而把不满足任何整系数代数方程的数,称超越数.
实超越数是无理数的特例.
我所知道的三个著名超越数都是无理数,他们是:


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