Math Labs

Lời giải: Chứng minh π\pi siêu việt của Lindemann giải quyết bài toán cầu phương hình tròn (1882)

Bước 1 trên 6: Nhiệm vụ: dựng một hình vuông có cùng diện tích với một hình tròn
Hiểu nôm na

Cho một hình tròn bán kính 11; diện tích của nó là π\pi. 'Cầu phương hình tròn' nghĩa là chỉ dùng thước kẻ và compa để dựng một hình vuông có đúng diện tích đó — tức là dựng một hình vuông có cạnh độ dài π\sqrt{\pi}, vì hình vuông cạnh ss có diện tích s2s^2.

Các nhà hình học Hy Lạp đã thử điều này suốt nhiều thế kỷ với những mẹo từng phần khéo léo (các đường cong như đường quadratrix của Hippias có thể làm được, nhưng chúng không phải là công cụ thước kẻ và compa). Câu hỏi bỏ ngỏ suốt hơn hai nghìn năm: liệu π\sqrt{\pi} có thực sự là một trong những con số mà compa có thể chạm tới hay không?

Area=πr2=π  ⟹  side of equal square=π\text{Area} = \pi r^2 = \pi \implies \text{side of equal square} = \sqrt{\pi}
Phân tích chi tiết

Bài toán cổ điển, được chứng thực từ ít nhất thế kỷ 5 TCN (người ta kể Anaxagoras đã làm nó trong tù), yêu cầu một phép dựng bằng thước kẻ và compa cho một hình vuông có cùng diện tích với hình tròn cho trước. Chuẩn hóa bán kính bằng 11, hình tròn có diện tích π\pi, nên hình vuông cần tìm có cạnh ss với s2=πs^2 = \pi, tức s=πs = \sqrt{\pi}. Nhiệm vụ hình học nhờ đó quy về việc tạo ra một đoạn thẳng độ dài π\sqrt{\pi} từ đoạn đơn vị.

Định lý 1837 của Wantzel chuyển 'đoạn tạo được' thành đại số: mọi độ dài dựng được nằm ở đỉnh của một tháp các mở rộng bậc hai của Q\mathbb{Q}, nên nó đại số trên Q\mathbb{Q} — nghiệm của một đa thức hữu tỷ khác không nào đó — và bậc của nó là lũy thừa của 22. Vì vậy cầu phương hình tròn khả thi chỉ nếu π\sqrt{\pi} đại số. Vì các số đại số tạo thành một trường đóng dưới các phép toán đa thức, π\sqrt{\pi} đại số khi và chỉ khi bình phương π\pi của nó đại số: nếu α\alpha thỏa P(x)=0P(x) = 0 thì α2\alpha^2 đại số vì Q(α2)⊆Q(α)\mathbb{Q}(\alpha^2) \subseteq \mathbb{Q}(\alpha) là mở rộng hữu hạn, và ngược lại π\sqrt{\pi} sẽ thỏa Q(x2)=0Q(x^2)=0 nếu π\pi thỏa Q(x)=0Q(x)=0.

Vậy mọi thứ quy về câu hỏi về một số thực duy nhất: π\pi đại số, hay siêu việt — không thỏa phương trình đa thức nào với hệ số hữu tỷ cả? Legendre từng phỏng đoán π2\pi^2 vô tỷ trong thập niên 1790, và Lambert đã chứng minh π\pi vô tỷ năm 1761, nhưng siêu việt mạnh hơn nhiều: nó phải loại trừ đồng thời các đa thức mọi bậc. Ferdinand von Lindemann giải quyết nó năm 1882, mở rộng phương pháp Charles Hermite đã dùng chín năm trước cho ee.

Thuật ngữ trong bước này
Số đại số
Một số là nghiệm của một đa thức khác không nào đó với hệ số hữu tỷ (tương đương, hệ số nguyên) — chẳng hạn 2\sqrt{2}, nghiệm của x2−2x^2-2.
Số siêu việt
Một số thực hoặc phức không phải là số đại số — nó không thỏa mãn bất kỳ phương trình đa thức nào với hệ số hữu tỷ, dù bậc lớn đến đâu.
Kiến thức dùng ở bước này