Teorema de Lindemann-Weierstrass - Lindemann–Weierstrass theorem

Na teoria dos números transcendentais , o teorema de Lindemann-Weierstrass é um resultado muito útil para estabelecer a transcendência dos números. Ele afirma o seguinte.

Lindemann-Weierstrass teorema  -  se α 1 , ..., α n são números algébricas que são linearmente independentes sobre os números racionais , então e α 1 , ...,  e α n são algebricamente independente sobre .

Em outras palavras, o campo de extensão ( e α 1 , ...,  e α n ) tem grau de transcendência n acima .

Uma formulação equivalente ( Baker 1990 , Capítulo 1, Teorema 1.4) é a seguinte.

Uma formulação equivalente  -  Se α 1 , ..., α n são números algébricos distintos, então as exponenciais e α 1 , ...,  e α n são linearmente independentes sobre os números algébricos.

Essa equivalência transforma uma relação linear sobre os números algébricos em uma relação algébrica ao usar o fato de que um polinômio simétrico cujos argumentos são todos conjugados um do outro fornece um número racional.

O teorema foi nomeado em homenagem a Ferdinand von Lindemann e Karl Weierstrass . Lindemann provou em 1882 que e α é transcendental para todo número algébrico diferente de zero α, estabelecendo assim que π é transcendental (veja abaixo). Weierstrass provou a afirmação mais geral acima em 1885.

O teorema, junto com o teorema de Gelfond-Schneider , é estendido pelo teorema de Baker , e todos eles são posteriormente generalizados pela conjectura de Schanuel .

Convenção de nomes

O teorema também é conhecido como teorema de Hermite-Lindemann e teorema de Hermite-Lindemann-Weierstrass . Charles Hermite primeiro provou o teorema mais simples, em que os expoentes α i devem ser inteiros racionais e a independência linear só é garantida sobre os inteiros racionais, um resultado às vezes referido como teorema de Hermite. Embora aparentemente seja um caso especial do teorema acima, o resultado geral pode ser reduzido a este caso mais simples. Lindemann foi o primeiro a permitir números algébricos no trabalho de Hermite em 1882. Pouco depois, Weierstrass obteve o resultado completo, e outras simplificações foram feitas por vários matemáticos, principalmente por David Hilbert e Paul Gordan .

Transcendência de e e π

A transcendência de e e π são corolários diretos deste teorema.

Suponha que α seja um número algébrico diferente de zero; então {α} é um conjunto linearmente independente sobre os racionais e, portanto, pela primeira formulação do teorema { e α } é um conjunto algebricamente independente; ou em outras palavras, e α é transcendental. Em particular, e 1 = e é transcendental. (Uma prova mais elementar de que e é transcendental é descrita no artigo sobre números transcendentais .)

Alternativamente, pela segunda formulação do teorema, se α é um número algébrico diferente de zero, então {0, α} é um conjunto de números algébricos distintos e, portanto, o conjunto { e 0e α } = {1,  e α } é linearmente independente dos números algébricos e em particular e α não pode ser algébrico e, portanto, é transcendental.

Para provar que π é transcendental, provamos que não é algébrico. Se π fosse algébrico, π i seria algébrico também, e então pelo teorema de Lindemann-Weierstrass e π i = −1 (ver identidade de Euler ) seria transcendental, uma contradição. Portanto, π não é algébrico, o que significa que é transcendental.

Uma ligeira variação na mesma prova mostrará que se α é um número algébrico diferente de zero, então sin (α), cos (α), tan (α) e suas contrapartes hiperbólicas também são transcendentais.

conjectura p -adic

p -adic Lindemann – Weierstrass Conjecture.  - Suponha que p seja algumnúmero primoeα 1 , ..., α n sãonúmeros p -ádicosque são algébricos e linearmente independentes, tais que| α i | p  <1 / p para todo i ; então osexponenciais p -adicexp p 1 ),. . . , exp p n )sãonúmeros p -adic que são algebricamente independentes.

Conjectura modular

Um análogo do teorema envolvendo a função modular j foi conjecturado por Daniel Bertrand em 1997, e permanece um problema aberto. Escrevendo q  =  e 2 π i τ para o quadrado do nome e j (τ) =  J ( q ), a conjectura é a seguinte.

Conjectura modular  -  Seja q 1 , ..., q n números algébricos diferentes de zero no disco de unidade complexa , de modo que os 3 n números

são dependentes algébricamente . Então, existem dois índices 1 ≤  i  <  j  ≤  n tais que q i e q j são multiplicativamente dependentes.

Teorema de Lindemann-Weierstrass

Teorema de Lindemann-Weierstrass (reformulação de Baker).  -  Se a 1 , ..., a n são números algébricos, e α 1 , ..., α n são números algébricos distintos, então

tem apenas a solução trivial para todos

Prova

A prova se baseia em dois lemas preliminares. Observe que o próprio Lema B já é suficiente para deduzir a afirmação original do teorema de Lindemann-Weierstrass.

Lemas preliminares

Lema A.  -  Let c (1), ..., c ( r ) ser inteiros e, para cada k entre 1 e r , vamos { γ ( k ) 1 , ..., γ ( k ) m ( k ) } ser as raízes de um polinômio diferente de zero com coeficientes inteiros . Se γ ( k ) i  ≠  γ ( u ) v sempre que ( ki ) ≠ ( uv ) , então

tem apenas a solução trivial para todos

Prova do Lema A. Para simplificar o conjunto de notações:

Então a declaração se torna

Seja p um número primo e defina os seguintes polinômios:

onde é um inteiro diferente de zero, que são todos inteiros algébricos. Definir

Usando a integração por partes , chegamos a

onde é o grau de , e é a derivada j -ésima de . Isso também vale para o complexo s (neste caso, a integral deve ser considerada uma integral de contorno, por exemplo, ao longo do segmento reto de 0 a s ) porque

é um primitivo de .

Considere a seguinte soma:

Na última linha, assumimos que a conclusão do Lema é falsa. Para completar a prova, precisamos chegar a uma contradição. Faremos isso estimando de duas maneiras diferentes.

O primeiro é um inteiro algébrico que é divisível por p ! para e desaparece para a menos que e , caso em que é igual a

Isso não é divisível por p quando p é grande o suficiente, caso contrário, colocando

(que é um inteiro algébrico diferente de zero) e chamando o produto de seus conjugados (que ainda é diferente de zero), obteríamos que p se divide , o que é falso.

Portanto, um inteiro algébrico diferente de zero é divisível por ( p  - 1) !. Agora

Uma vez que cada um é obtido dividindo um polinômio fixo com coeficientes inteiros por , ele tem a forma

onde é um polinômio (com coeficientes inteiros) independente de i . O mesmo vale para os derivativos .

Portanto, pelo teorema fundamental dos polinômios simétricos,

é um polinômio fixo com coeficientes racionais avaliados em (isto é visto agrupando os mesmos poderes de aparecer na expansão e usando o fato de que esses números algébricos são um conjunto completo de conjugados). Portanto, o mesmo é verdadeiro para , ou seja, é igual , onde G é um polinômio com coeficientes racionais independentes de i .

Finalmente é racional (novamente pelo teorema fundamental dos polinômios simétricos) e é um inteiro algébrico diferente de zero divisível por (já que os são inteiros algébricos divisíveis por ). Portanto

No entanto, um claramente tem:

onde F i é o polinômio cujos coeficientes são os valores absolutos daqueles de f i (isso segue diretamente da definição de ). Assim

e assim, pela construção de 's, temos um C suficientemente grande, independente de p , o que contradiz a desigualdade anterior. Isso prova o Lema A. ∎

Lema B.  -  Se b (1), ..., b ( n ) são inteiros e γ (1), ..., γ ( n ), são números algébricos distintos , então

tem apenas a solução trivial para todos

Prova do Lema B: Assumindo

vamos derivar uma contradição, provando assim o Lema B.

Vamos escolher um polinômio com coeficientes inteiros que desaparece em todos os 'se deixe todas as suas raízes distintas. Seja b ( n  + 1) = ... =  b ( N ) = 0.

O polinômio

desaparece por suposição. Uma vez que o produto é simétrica, por qualquer monómios e tem o mesmo coeficiente de expansão de P .

Assim, expandindo de acordo e agrupando os termos com o mesmo expoente, vemos que os expoentes resultantes formam um conjunto completo de conjugados e, se dois termos possuem expoentes conjugados, eles são multiplicados pelo mesmo coeficiente.

Portanto, estamos na situação do Lema A. Para chegar a uma contradição, basta ver que pelo menos um dos coeficientes é diferente de zero. Isso é visto equipando C com a ordem lexicográfica e escolhendo para cada fator no produto o termo com coeficiente diferente de zero que tem expoente máximo de acordo com esta ordem: o produto desses termos tem coeficiente diferente de zero na expansão e não seja simplificado por nenhum outro termo. Isso prova o Lema B. ∎

Passo final

Passamos agora a provar o teorema: sejam a (1), ..., a ( n ) números algébricos diferentes de zero e α (1), ..., α ( n ) números algébricos distintos. Então, vamos supor que:

Mostraremos que isso leva à contradição e, assim, provaremos o teorema. A prova é muito semelhante à do Lema B, exceto que desta vez as escolhas são feitas sobre os a ( i ):

Para cada i ∈ {1, ..., n }, a ( i ) é algébrico, então é a raiz de um polinômio irredutível com coeficientes inteiros de grau d ( i ). Vamos denotar as raízes distintas desse polinômio a ( i ) 1 , ..., a ( i ) d ( i ) , com a ( i ) 1 = a ( i ).

Sejam S as funções σ que escolhem um elemento de cada uma das sequências (1, ..., d (1)), (1, ..., d (2)), ..., (1, .. ., d ( n )), de modo que para cada 1 ≤  i  ≤  n , σ ( i ) é um número inteiro entre 1 e d ( i ). Nós formamos o polinômio nas variáveis

Uma vez que o produto abrange todas as funções de escolha possíveis σ, Q é simétrico em para cada i . Portanto, Q é um polinômio com coeficientes inteiros em polinômios simétricos elementares das variáveis ​​acima, para cada i , e nas variáveis y i . Cada um dos últimos polinômios simétricos é um número racional quando avaliado em .

O polinômio avaliado desaparece porque uma das escolhas é apenas σ ( i ) = 1 para todo i , para o qual o fator correspondente desaparece de acordo com nossa suposição acima. Assim, o polinômio avaliado é uma soma da forma

onde já agrupamos os termos com o mesmo expoente. Portanto, no lado esquerdo, temos valores distintos β (1), ..., β ( N ), cada um dos quais ainda é algébrico (sendo uma soma de números algébricos) e coeficientes . A soma é não trivial: se for máxima na ordem lexicográfica, o coeficiente de é apenas um produto de a ( i ) j 's (com possíveis repetições), que é diferente de zero.

Multiplicando a equação com um fator inteiro apropriado, obtemos uma equação idêntica, exceto que agora b (1), ..., b ( N ) são todos inteiros. Portanto, de acordo com o Lema B, a igualdade não pode ser mantida, e somos levados a uma contradição que completa a prova. ∎

Observe que o Lema A é suficiente para provar que e é irracional , caso contrário, podemos escrever e = p / q , onde p e q são inteiros diferentes de zero, mas pelo Lema A teríamos qe  -  p ≠ 0, que é uma contradição. O lema A também é suficiente para provar que π é irracional, pois de outra forma podemos escrever π = k / n , onde k e n são inteiros) e então ± i π são as raízes de n 2 x 2 + k 2 = 0; assim, 2 - 1 - 1 = 2 e 0 + e i π + e - i π ≠ 0; mas isso é falso.

Da mesma forma, o Lema B é suficiente para provar que e é transcendental, uma vez que o Lema B diz que se a 0 , ..., a n são inteiros nem todos são zero, então

O Lema B também é suficiente para provar que π é transcendental, pois do contrário teríamos 1 +  e i π  ≠ 0.

Equivalência das duas afirmações

A formulação de Baker do teorema implica claramente a primeira formulação. Na verdade, se forem números algébricos que são linearmente independentes , e

é um polinômio com coeficientes racionais, então temos

e uma vez que são números algébricos que são linearmente independentes dos racionais, os números são algébricos e são distintos para n- duplas distintas . Portanto, da formulação de Baker do teorema, obtemos todas as n- duplas .

Agora suponha que a primeira formulação do teorema seja válida. Pois a formulação de Baker é trivial, então vamos supor que , e sejam números algébricos diferentes de zero, e números algébricos distintos, tais que:

Como visto na seção anterior, e com a mesma notação usada lá, o valor do polinômio

no

tem uma expressão da forma

onde agrupamos os exponenciais com o mesmo expoente. Aqui, como provado acima, existem números racionais, nem todos iguais a zero, e cada expoente é uma combinação linear de com coeficientes inteiros. Então, uma vez e são pairwise distinta, o subespaço -vector da gerada pelo não é trivial e podemos escolher para formar uma base para Para cada , temos

Para cada, deixe ser o mínimo múltiplo comum de todos os for e put . Então, são os números algébricos, eles formam uma base de , e cada um é uma combinação linear de com coeficientes inteiros. Multiplicando a relação

por , onde é um número inteiro positivo grande o suficiente, obtemos uma relação algébrica não trivial com coeficientes racionais conectando-se , contra a primeira formulação do teorema.

Veja também

Notas

Referências

  • Gordan, P. (1893), "Transcendenz von e und π ." , Mathematische Annalen , 43 : 222–224, doi : 10.1007 / bf01443647 , S2CID  123203471
  • Hermite, C. (1873), "Sur la fonction exponentielle." , Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Paris , 77 : 18-24
  • Hermite, C. (1874), Sur la fonction exponentielle. , Paris: Gauthier-Villars
  • Hilbert, D. (1893), "Ueber die Transcendenz der Zahlen e und π ." , Mathematische Annalen , 43 : 216–219, doi : 10.1007 / bf01443645 , S2CID  179177945 , arquivado do original em 06/10/2017 , recuperado em 24/12/2018
  • Lindemann, F. (1882), "Über die Ludolph'sche Zahl." , Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin , 2 : 679-682
  • Lindemann, F. (1882), "Über die Zahl π ." , Mathematische Annalen , 20 : 213-225, doi : 10.1007 / bf01446522 , S2CID  120469397 , arquivado do original em 06/10/2017 , recuperado em 24-12-2018
  • Weierstrass, K. (1885), "Zu Lindemann's Abhandlung." Über die Ludolph'sche Zahl "." , Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissen-schaften zu Berlin , 5 : 1067–1085

Leitura adicional

links externos