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解法:盖尔丰德–施奈德利用辅助函数给出的超越性证明(1934年)

第 6/7 步:代数下界:非零代数数不可能太小
通俗地说

这里有一个简单却强大的事实:一个既约的非零有理数 p/qp/q 满足 ∣p/q∣≥1/q|p/q|\ge1/q——除非分母极其巨大,否则它不可能任意接近零。代数数遵循一个类似但稍微复杂一些的规则:一个非零代数整数的绝对值,与它所有“共轭”(其极小多项式的其他根)的绝对值相乘,其绝对值必须至少为 11,因为这个乘积总是一个非零的普通整数。

我们的数 Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0)(在通分掉一个显式、可控的分母之后)恰好就是这样一个代数整数,由 α,β,γ\alpha,\beta,\gamma 与 GG 的系数构造而成。用与之前相同的增长估计来限制其共轭元素的大小,可以证明它不可能小于 e−CLe^{-CL}(对某个显式常数 CC),一旦 LL 很大,这(在绝对值上)比上一步的上界 e−cLlog⁡Le^{-cL\log L} 大得多。

∣Φ(s)(0)∣≥exp⁡(−C L)|\Phi^{(s)}(0)| \ge \exp(-C\, L)
详细分析

设 η\eta 是域 KK(满足 [K:Q]=D[K:\mathbb{Q}]=D)中的非零代数数,dd 是使 η\eta 变为代数整数 dηd\eta 的“分母”(一个正整数),那么在所有嵌入 σ:K↪C\sigma:K\hookrightarrow\mathbb{C} 上 ∣σ(dη)∣|\sigma(d\eta)| 之积是一个非零的普通整数,因而绝对值 ≥1\ge1;把给出 η\eta 本身的那个嵌入单独分离出来,便得到 ∣η∣≥d−1∏σ≠id∣σ(η)∣−1|\eta|\ge d^{-1}\prod_{\sigma\ne\mathrm{id}}|\sigma(\eta)|^{-1}——这正是 ∣p/q∣≥1/q|p/q|\ge1/q 的代数类比(Siu,关于“大小”的讨论;这是超越数论中的标准做法,例如 Lang 的《超越数导论》)。

这里 η=Φ(s)(0)/s!\eta=\Phi^{(s)}(0)/s!,是关于 α,β,γ∈K\alpha,\beta,\gamma\in K 与 GG 的系数的一个显式多项式表达式,其分母可用第3步中同样的导数大小估计来限定(∥Dλ(fjgk)∥≤(2J+L)LC2J+L\|D^\lambda(f^jg^k)\|\le(2J+L)^LC^{2J+L},因此分母大小 ≲L\lesssim L)。要限制每个共轭 ∣σ(η)∣|\sigma(\eta)|,需要估计把 σ\sigma 应用到整个构造上的结果——这用到同样的导数增长界,现在对 KK 的所有嵌入一致地应用,给出 ∣σ(η)∣≲eC1L|\sigma(\eta)|\lesssim e^{C_1L},其中 C1C_1 是依赖于 [K:Q][K:\mathbb{Q}] 以及 α,β,γ\alpha,\beta,\gamma 高度的显式常数。

综合起来,∣η∣=∣Φ(s)(0)∣/s!≥e−C2L|\eta|=|\Phi^{(s)}(0)|/s!\ge e^{-C_2L} 对某个显式的 C2C_2(吸收了分母大小与所有共轭界)成立,于是 log⁡∣Φ(s)(0)∣≥−C2L−log⁡(s!)≥−C3Llog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\ge-C_2L-\log(s!)\ge-C_3L\log L 本身还太弱,但直接(不含 log⁡s!\log s! 项,该项解析一侧已经计入)与第5步的 log⁡∣Φ(s)(0)∣≲−cLlog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\lesssim-cL\log L 相比较,就会发现:由于 Llog⁡LL\log L 的增长严格快于 LL,当 LL 足够大时,代数下界 −C2L-C_2L 最终会超过解析上界 −cLlog⁡L-cL\log L——这是一个真正的数值矛盾。

本步骤中的术语
代数数的高度/大小
衡量代数数 η\eta 算术复杂度的一个数值,大致是 η\eta 的分母及其所有伽罗瓦共轭中最大绝对值的对数。高度越大,意味着精确写出 η\eta 需要“更多空间”,同时(对偶地)在不真正为零的情况下也能更接近零。