分析丨令人称奇的简单证明:五种方法证明根号2是无理数 |
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他猜测,当时Theodorus就是用类似上面的方法证明的。比如,要证明根号x不是有理数,于是p^2=x*q^2。我们已经证过x=2的情况了,剩下来的质数都是奇数。如果x是奇数且p/q已经不能再约分,那么显然p和q都是奇数。一个奇数2n+1的平方应该等于4(n^2+n)+1,也即8 * n(n+1)/2 + 1,其中n(n+1)/2肯定是一个整数。如果p=2k+1,q=2m+1,把它们代进p^2=x*q^2,有8[k(k+1)/2 - x*m(m+1)/2] = x-1。于是x-1必须是8的倍数。如果当时Theodorus是这么证明的,那么他可以得到这样一个结论,如果x-1不能被8整除,那么它不可能被表示成(p/q)^2。好了,现在3、5、7、11、13减去1后都不是8的倍数,它们的平方根一定不是有理数。在x=9时发生了一次例外,但9是一个平方数。而当x=17时这种证明方法没办法解释了,于是Theodorus就此打住。 实际上,我们上面说的这么多,在古希腊当时的数学体系中是根本不可能出现的。毕达哥拉斯时代根本没有发展出代数这门学科来,它们掌握的只是纯粹的几何。因此,Hippasus当时的证明不可能像我们现在这样搞点什么奇数x偶数y之类的高科技东西。事实上,Hippasus当时完全运用的平面几何知识来证明他的结论。有人觉得奇怪了,既然当时没有代数,古希腊人是怎么提出“所有数都可以表示为整数之比”的呢?其实古希腊人根本没有提出什么整数之比,这是后人的一个误解。当时毕达哥拉斯学派提出的,叫做“公度单位”。 两条线段的公度单位,简单的说就是找一个公度量,使得两条线段的长度都是这个公度量的整倍数(于是这个公度量就可以同时作为两条线段的单位长度并用于测量)。寻找公度量的方法相当直观,就是不断把较长的那个线段减去短的那个线段,直到两个线段一样长。熟悉数论的同学一下就明白了这就是欧几里德的辗转相除算法求最大公约数。第一次数学危机的根结就在于,古希腊人理所当然地相信不断地截取线段,总有一个时候会截到两个线段一样长。后来,Hippasus画了这么一张图,告诉大家了一个反例:有可能这个操作会无穷尽地进行下去。 现在看他怎么解释,在图中的BC和BD之间进行辗转相除为什么永远不能停止。把BD减去BC,剩下一段DE。以DE为边做一个新的小正方形DEFG,那么显然DE=EF=FC(∵△EDF为等腰直角且△BEF≌△BCF)。接下来我们应该在BC和DE间辗转相除。BC就等于CD,CD减去一个DE相当于减去一个FC,就只剩下一段DF了。现在轮到DE和DF之间辗转相除,而它们是一个新的正方形的边和对角线,其比例正好与最初的BC和BD相当。于是,这个操作再次回到原问题,并且无限递归下去。最后的结论用我们的话说就是,不存在一个数x使得BC和BD的长度都是x的整倍数。于是,BD/BC不能表示为两个整数之比p/q(否则BD/p=BC/q,这就成为了那个x)。 有发现上面的代数证明和几何证明之间的共同点吗?它们都是这样的一个思路:假设我已经是满足这个性质的最小的那个了,那么我就可以用一种方法找出更小的一个来,让你无限循环下去,数目越来越小,永无止境。严格的数学证明中你或许会看到这样一句话:“不失一般性,设n为最小的满足……” 这种证明方法应用很广。比如,证明3^n不能表示为两个正整数的平方和。我假设存在一个最小的n使得x^2+y^2=3^n,那么x^2+y^2可以被3整除,于是x和y也应该能被3整除(一个正整数的平方除以3,要么除尽,要么余1)。假如x=3p,y=3q,那么(3p)^2+(3q)^2=3^n,即9(p^2+q^2)=3^n,那么。p^2+q^2=3^(n-2),这和n最小的假设矛盾。换句话说,你永远找不到最小的,你必须一直递归下去。 对于根号2是无理数的问题,下面一个证明使用了与上例几乎相同的解决方法。 如果√N不是整数的话,假设√N=A/B(化到最简),那么NB/A=A/B。化成带分数后,NB/A和A/B的分数部分是形如a/A和b/B的形式,其中a |
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