NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Teoria liczb/Liczby przestępne — π i e
Wielkie odkrycie 1882 — Hermite, Lindemann

Liczby przestępne — π i e

Rozszerzenie tematu liczb rzeczywistych i wielomianów. Liczby algebraiczne są pierwiastkami wielomianów o współczynnikach wymiernych (np. √2 → x²−2=0), a przestępne (jak π, e) nie są pierwiastkiem żadnego takiego wielomianu. Przestępność e udowodnił Hermite (1873), a π — Lindemann (1882). Przestępnych jest „nieporównanie więcej" niż algebraicznych.

Matematyka · Teoria liczb · Liczby przestępne — π i e (1882)
Którą liczbę chcesz zbadać?
Czy π\pi jest pierwiastkiem jakiegoś wielomianu o współczynnikach wymiernych?
badana liczba
½
wartość
0.5000
pierwiastek wiel. wymiernego?
Tak
klasa
algebraiczna

Co się właśnie stało?

Liczby rzeczywiste dzielą się na dwie klasy. Liczba algebraiczna to taka, która jest pierwiastkiem pewnego niezerowego wielomianu o współczynnikach wymiernych (całkowitych). Należą do niej wszystkie liczby wymierne — np. 12\tfrac12 jest pierwiastkiem równania 2x1=02x - 1 = 0 — oraz część liczb niewymiernych, jak 2\sqrt2, 75\sqrt[5]{7} czy złota liczba φ\varphi. Liczba przestępna to taka, która NIE jest pierwiastkiem żadnego takiego wielomianu — „przekracza” algebrę, stąd nazwa.

√2 jest algebraiczna — jest pierwiastkiem wielomianu wymiernego:

x22=0(2)22=0x^2 - 2 = 0 \quad\Longrightarrow\quad \left(\sqrt2\right)^2 - 2 = 0

Choć 2\sqrt2 jest niewymierna, „domyka się” równaniem — dlatego zalicza się do liczb algebraicznych. Podobnie 12\tfrac12 spełnia 2x1=02x - 1 = 0.

π i e są przestępne — żaden wielomian wymierny ich nie trafia:

pQ[x],  p0:p(π)0   oraz   p(e)0\forall\, p \in \mathbb{Q}[x],\; p \neq 0:\qquad p(\pi) \neq 0 \;\text{ oraz }\; p(e) \neq 0

Udowodnienie, że konkretna liczba jest przestępna, jest bardzo trudne. Charles Hermite jako pierwszy wykazał przestępność liczby ee (1873 r.), a Ferdinand von Lindemann przestępność π\pi (1882 r.) — co przy okazji rozstrzygnęło starożytny problem kwadratury koła: jest niemożliwa cyrklem i linijką właśnie dlatego, że π\pi jest przestępna.

Zaskakująca proporcja:

Georg Cantor pokazał, że liczb algebraicznych jest tylko przeliczalnie wiele (moc 0\aleph_0), a liczb rzeczywistych — nieprzeliczalnie (moc continuum c>0\mathfrak{c} > \aleph_0). Skoro algebraicznych jest „mało”, a rzeczywistych „nieporównanie więcej”, to prawie każda liczba rzeczywista jest przestępna — choć konkretnych przykładów znamy zaskakująco niewiele.

Po co Ci to na maturze:

Rozróżnienie liczb wymiernych, niewymiernych algebraicznych i przestępnych porządkuje świat liczb rzeczywistych i wraca w zadaniach o dowodach niewymierności, o pierwiastkach wielomianów oraz o tym, czego nie da się skonstruować cyrklem i linijką (jak kwadratura koła).

Zapamiętaj: liczba jest algebraiczna, gdy jest pierwiastkiem jakiegoś wielomianu o współczynnikach wymiernych (jak 2\sqrt2 dla x22x^2-2), a przestępna, gdy nie jest pierwiastkiem żadnego (jak ee i π\pi). Przestępnych jest nieporównanie więcej.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Czy π jest pierwiastkiem jakiegoś wielomianu wymiernego?

Nie — π jest liczbą przestępną, „wymyka się" całej algebrze.

Czym różni się liczba algebraiczna od przestępnej?

Algebraiczna jest pierwiastkiem wielomianu o współczynnikach wymiernych (np. √2); przestępna — żadnego takiego.

Których liczb jest więcej: algebraicznych czy przestępnych?

Przestępnych — algebraiczne są przeliczalne, a przestępne nieprzeliczalne (prawie każda liczba jest przestępna).