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单词 实数都是整数系数代数方程的根吗
释义 实数都是整数系数代数方程的根吗
我们在学校里学过解方程,其中解得最多的就是所谓的代数方程,比如3x-1=0,x2-2x-8=0等。这些方程的一个主要特点,就是每一个包含未知数的项,都只包含未知数的正整数次幂。除此之外,这些方程还有两个很重要的特点,那就是项的数目是有限的,且未知项的系数都是整数。
现在,我们要回答这样一个问题:实数都是整系数代数方程的根吗?为了方便起见,我们将整系数代数方程简称为代数方程。首先,很明显的是,所有有理数q=m/n都是代数方程nx-m=0的根,这里m,n是整数(n≠0)。其次,学过一元二次方程的人都知道,代数方程的根不一定是有理数。比如x2-2=0的两个根,就是无理数。因此,整系数代数方程的根既可以是有理数,也可以是无理数,从而至少在表面上具备了表示所有实数的潜力。
但有潜力不等于一定能做到,关键得要有证明。最早对“实数都是整系数代数方程的根吗”这一问题作出否定回答并给出证明的是法国数学家刘维尔,他不仅证明了某些实数不是任何整系数代数方程的根,而且还具体构造出了那样的实数,从而以最雄辩的方式给出了否定的答案。刘维尔最初构造的那些非代数方程根的实数,是用连分数表示的,后来他还用十进位小数构造出了这类实数。为了纪念刘维尔的贡献,人们将刘维尔构造出的那一类数称为刘维尔数。
现在我们知道,有很多重要的实数,比如自然对数的底e、圆周率π等,都不是整系数代数方程的根。为了便于表述,数学家把能够用整系数代数方程的根来表示的数称为代数数,把不能用整系数代数方程的根来表示的数称为超越数。
实数既包含代数数,也包含超越数。有理数与是代数数的例子;e和π则是超越数的例子。我们的问题用这一新术语可以重新表述为:实数都是代数数吗?答案如上所述是否定的。
不过,答案虽然揭晓了,证明一个具体的数是超越数,却往往不是一件容易的事情。比如为了证明两个最重要的常数e和π是超越数,就费了数学家不小的气力。数e的超越性是由法国数学家埃尔米特于1873年证明的。而判断π是否是超越数则更加困难,直到1882年才由德国数学家林德曼证明,π也是超越数。而像e+π和e-π这样的简单组合是否是超越数,则直到今天也还是个谜。

接下来我们还可以问一个问题,那就是代数数多还是超越数多?从超越数的构造和证明如此困难来看,也许很多读者会猜测只有很少的数是超越数。事实却恰恰相反。1874年,德国数学家康托尔证明了超越数远比代数数多(这里所涉及的是无穷集合元素数目的比较)。事实上,他证明了实数几乎全都是超越数——换句话说,如果从实数中随机地挑出一个来,它是代数数的概率是0!
超越数的存在不仅仅具有抽象的分类意义,而且可以解决一些具体的数学问题。比如,几何中的尺规作图方法所能作出的线段的长度,已被证明为只能是代数数(如给定单位长度)。因此π是超越数这一看似只具有抽象分类意义的结果,直接证明了困扰数学家们2300多年的“尺规作图三大难题”之一的“化圆为方”,是不可能做到的。(卢昌海)
【微博士】超越数
法国数学家刘维尔是最早证明超越数存在的数学家。法国数学家埃尔米特于1873年证明了e是超越数。另一位在超越数研究上做出过重要贡献的是德国数学家林德曼。他于1882年证明了π是超越数。林德曼在数学上没有太多其他贡献,但他却有几位极著名的学生,比如著名数学家希尔伯特和闵可夫斯基,著名物理学家索末菲等。
【微博士】】刘维尔数
刘维尔构造的一大类超越数称为刘维尔数。第一个用十进位小数表示的刘维尔数(也是第一个用十进位小数表示的超越数)是0.110001000……(小数点后数字的规律是这样的:小数点后第n!〈即n的阶乘〉位的数字为1,其余的数字全都为零)。这个数通常被称为刘维尔常数,但有时候也被称为刘维尔数,虽然它其实只是无穷多个刘维尔数中的一个。
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