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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 7/7 步:矛盾闭合:αβ\alpha^\beta必须是超越数
通俗地说

现在陷阱合拢了。第5步表明,数 Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0)(在绝对值上)必须小于大约 e−cLlog⁡Le^{-cL\log L}。第6步表明,同一个数,作为一个非零代数数,不可能小于大约 e−CLe^{-CL}。由于 Llog⁡LL\log L 的增长快于 LL 的任何固定倍数,当 LL 足够大时,这两个要求彻底相互矛盾:这个数既要小于一个迅速收缩的界,又要大于一个收缩得更慢的界。

唯一的出路是,某个假设是错误的——而构造中其他一切(西格尔引理、增长估计、代数数论)都严密无误,也没有用到任何未经证明的假设。唯一还站得住脚的假设,就是最初提出的那一个:γ=αβ\gamma=\alpha^\beta 是代数数。所以这个假设必定是错的,αβ\alpha^\beta 终究是超越数。

−cLlog⁡L≥log⁡∣Φ(s)(0)∣≥−CL  ⟹  contradiction for L≫1-cL\log L \ge \log|\Phi^{(s)}(0)| \ge -C L \implies \text{contradiction for } L \gg 1
详细分析

第5步确立了 log⁡∣Φ(s)(0)∣≤−cLlog⁡L+O(L)\log|\Phi^{(s)}(0)|\le-cL\log L+O(L)(对某个显式常数 c>0c>0);第6步确立了 log⁡∣Φ(s)(0)∣≥−C2L\log|\Phi^{(s)}(0)|\ge-C_2L(对某个显式常数 C2C_2)。这两个界同时成立(它们都是对同一个非零数 Φ(s)(0)∈K\Phi^{(s)}(0)\in K 的估计),所以对所有充分大的 LL,都有 −C2L≤log⁡∣Φ(s)(0)∣≤−cLlog⁡L+O(L)-C_2L\le\log|\Phi^{(s)}(0)|\le-cL\log L+O(L),即 −C2L≤−cLlog⁡L+O(L)-C_2L\le-cL\log L+O(L)。两边除以 LL 并令 L→∞L\to\infty,右边趋于 −∞-\infty 而左边保持有界——对大于某个只依赖于 c,C2,[K:Q]c,C_2,[K:\mathbb{Q}] 的显式阈值的 LL,这是彻底的矛盾(Siu,主定理证明的最后一段,以一般命题中的类似界“m≤C7ρ[K:Q]m\le C_7\rho[K:\mathbb{Q}]”结束)。

构造中的每一步——西格尔引理(第3步)、ez,eβze^z,e^{\beta z} 的代数无关性(第2步)、有限阶整函数的增长估计(第5–6步)、以及代数数的共轭乘积估计(第6步)——都是无条件的经典数学。唯一引入的假设是第2步中假设 γ=αβ\gamma=\alpha^\beta 是代数数。既然这个假设导致矛盾,它必定是错的:对每一个代数数 α∉{0,1}\alpha\notin\{0,1\} 与每一个代数无理数 β\beta,αβ\alpha^\beta 都是超越数——这就是盖尔丰德–施奈德定理,解决了希尔伯特第七问题(盖尔丰德,1934年;施奈德,1934年,各自独立)。

作为一个直接推论(Siu,《推论2》),希尔伯特举的例子 222^{\sqrt{2}} 是超越数,因为 α=2\alpha=2 是代数数(不是 00 或 11)而 β=2\beta=\sqrt2 是代数无理数。类似地,γ=(−1)−i=eπ\gamma=(-1)^{-i}=e^\pi 也是超越数,这恢复了盖尔丰德1929年更早的特殊情形,尽管正式确立 eπe^\pi 的超越性用的是 α=−1\alpha=-1(一个单位根)以及 β=i−1\beta=i\sqrt{-1} 型的推理并稍作假设上的调整,这两者都由一般的盖尔丰德–施奈德机制所处理。