什么是超越数?

任何整系数多项式都“到达不了”它们
π 和 e 都不满足任何整系数方程

如果一个数不是任何整系数多项式方程的根,那么它就是超越数。π 不满足像 x² - 3x + 1 = 0 这样的方程,e 也不满足。它们处在代数所能触及的范围之外。尽管能明确命名的超越数并不多,但从整体上看,超越数才是常态:几乎所有实数都是超越数。

数的层级:每一层都包含下一层
实数 R 代数数 有理数 Q 整数 Z N pi = 3.14159... e = 2.71828... 刘维尔常数 e^pi, 2^sqrt(2) sqrt(2), sqrt(3) phi=(1+sqrt(5))/2 1/2, 3/7, -5 外层的超越数在不可数意义上远多于内部的代数数

超越数位于“代数数之外”,但仍然属于实数(以及复数)的一部分。

时间线:1844–1934 年的关键超越性证明
1844刘维尔首批显式例子1873埃尔米特证明 e 是超越数1882林德曼证明 π 是超越数1900希尔伯特第七问题1934格尔丰德施奈德解决 Hilbert 7

从刘维尔在 1844 年构造出第一个显式例子,到 Gelfond–Schneider 定理在 1934 年解决 Hilbert 第七问题,超越性理论迅速发展。

代数数 vs 超越数:什么让一个数成为代数数?
代数数 vs 超越数:什么让一个数成为代数数?

左边是代数数及其最小多项式;右边是不存在任何整系数多项式的超越数。

最小多项式
√2 = 1.41421...x^2 - 2 = 0
φ = 1.61803...x^2 - x - 1 = 0
∛5 = 1.70997...x^3 - 5 = 0
i = √(-1)x^2 + 1 = 0
π = 3.14159...不存在这样的多项式
e = 2.71828...不存在这样的多项式
e^π = 23.1406...不存在这样的多项式
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如果一个数不满足任何整系数多项式方程,它就是超越数。刘维尔在 1844 年给出了第一个显式例子。埃尔米特在 1873 年证明 e 是超越数,林德曼在 1882 年证明 π 是超越数,这也顺带否定了“化圆为方”的可能。虽然超越数在实数中几乎处处都是,但我们目前能明确写下并证明其超越性的具体例子仍然不算多。

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