Илья Щуров

Математик Илья Щуров о десятичных дробях, трансцендентности и иррациональности числа Пи.

Как «единица» помогла построить первые города и великие империи? Как вдохновляла выдающиеся умы человечества? Какую роль в появлении денег она сыграла? Как «единица» объединилась с нулем, чтобы править современным миром? История единицы неразрывно связана с историей европейской цивилизации. Терри Джонс отправляется в юмористическое путешествие с целью собрать воедино удивительную историю нашего самого простого числа. С помощью компьютерной графики в этой программе единица оживает в самых различных испостасях. Из истории единицы становится ясно, откуда появились современные числа, и каким образом изобретение нуля спасло нас от необходимости сегодня использовать римские цифры.

Жак Сезиано

Мы знаем о Диофанте немного. Кажется, он жил в Александрии. Никто из греческих математиков не упоминает его до IV века, так что он вероятно жил в середине III века. Самая главная работа Диофанта, «Арифметика» (Ἀριθμητικά), состоялась в начале из 13 «книгах» (βιβλία), т. е. главах. Мы сегодня имеем 10 из них, а именно: 6 в греческом тексте и 4 других в средневековом арабском переводе, место которых в середине греческих книг: книги I-III по-гречески, IV-VII по-арабски, VIII-X по-гречески. «Арифметика» Диофанта прежде всего собрание задач, всего около 260. Теории, по правде говоря, нет; имеются только общие инструкции в введении книги, и частные замечания в некоторых задачах, когда нужно. «Арифметика» уже имеет черты алгебраического трактата. Сперва Диофант пользуется разными знаками, чтобы выражать неизвестное и его степени, также и некоторые вычисления; как и все алгебраические символики средних веков, его символика происходит от математических слов. Потом, Диофант объясняет, как решить задачу алгебраическим способом. Но задачи Диофанта не алгебраические в обычном смысле, потому что почти все сводятся к решению неопределённого уравнения или систем таких уравнений.

Георгий Шабат

Программа курса: История. Первые оценки. Проблема соизмеримости длины окружности с ее диаметром. Бесконечные ряды, произведения и другие выражения для π. Сходимость и ее качество. Выражения, содержащие π. Последовательности, быстро сходящиеся к π. Современные методы вычисления π, использование компьютеров. Об иррациональности и трансцендентности π и некоторых других чисел. Предварительных знаний для понимания курса не требуется.

Ученые из Оксфордского университета заявили, что самым ранним известным употреблением цифры 0 для обозначения отсутствия значения разряда (как в числе 101) следует считать текст индийского манускрипта Бахшали.

Василий Писпанен

Кто не играл в детстве в игру "назови самое большое число"? Миллионы, триллионы и прочие "-оны" представить в уме уже сложно, но мы с вами попробуем разобрать "мастодонта" в математике - число Грэма.

Виктор Клепцын

Действительное число можно сколь угодно точно приблизить рациональными. А насколько хорошим может быть такое приближение – в сравнении с его сложностью? Например, оборвав десятичную запись числа x на k-й цифре после запятой, мы получим приближение x≈a/10^k с ошибкой порядка 1/10^k. И вообще, зафиксировав знаменатель q у приближающей дроби, мы точно можем получить приближение с ошибкой порядка 1/q. А можно ли сделать лучше? Знакомое всем приближение π≈22/7 даёт ошибку порядка 1/1000 – то есть явно сильно лучше, чем можно было бы ожидать. А почему? Повезло ли нам, что у π такое приближение есть? Оказывается, что для любого иррационального числа есть бесконечно много дробей p/q, приближающих его лучше, чем 1/q^2. Это утверждает теорема Дирихле – и мы начнём курс с её немного нестандартного доказательства.

В 1980 году Книга рекордов Гиннесса повторила утверждения Гарднера, ещё больше подогрев интерес публики к этому числу. Число Грехема в невообразимое количество раз больше, чем другие хорошо известные большие числа, такие, как гугол, гуголплекс и даже больше, чем число Скьюза и число Мозера. На самом деле вся наблюдаемая вселенная слишком мала для того, чтобы вместить в себя обыкновенную десятичную запись числа Грехема.

Дмитрий Аносов

Лекции читает Аносов Дмитрий Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН. Летняя школа «Современная математика», г. Дубна. 16-18 июля 2002 г.

Корректно ответить на этот вопрос нельзя, поскольку числовой ряд не имеет верхнего предела. Так, к любому числу достаточно всего лишь прибавить единицу, чтобы получить число ещё большее. Хотя сами числа бесконечны, собственных названий у них не так уж и много, так как большинство из них довольствуются именами, составленными из чисел меньших. Понятно, что в конечном наборе чисел, которых человечество наградило собственным именем, должно быть какое-то наибольшее число. Но как оно называется и чему оно равно? Давайте же, попробуем в этом разобраться и заодно узнать, насколько большие числа придумали математики.

4.2. Алгебраические и трансцендентные числа

Действительные числа иногда подразделяют также на алгебраические и трансцендентные.

Алгебраическими называют числа, которые являются корнями алгебраических многочленов с целыми коэффициентами, например, 4, . Все остальные (неалгебраические) числа относятся к трансцендентным. Так как каждое рациональное число p/q является корнем соответствующего многочлена первой степени с целыми коэффициентами qx -p, то все трансцендентные числа иррациональны.

Выделим характерные особенности рассмотренных (натуральных, рациональных, действительных) чисел: они моделируют только одно свойство - количество; они одномерны и все изображаются точками на одной прямой, называемой координатной осью.

5. Комплексные числа

5.1. Мнимые числа

Еще более странными, чем иррациональные, оказались числа новой природы, открытые итальянским ученым Кардано в 1545 году. Он показал, что система уравнений, не имеющая решений во множестве действительных чисел, имеет решения вида, . Нужно только условиться действовать над такими выражениями по правилам обычной алгебры и считать, что· = -.

Кардано называл такие величины «чисто отрицательными» и даже «софистически отрицательными», считал их бесполезными и старался не употреблять.

Долгое время эти числа считали невозможными, несуществующими, воображаемыми. Декарт назвал их мнимыми, Лейбниц - «уродом из мира идей, сущностью, находящейся между бытием и небытием».

В самом деле, с помощью таких чисел нельзя выразить ни результат измерения какой-нибудь величины, ни изменение какой-нибудь величины.

Мнимым числам не было места на координатной оси. Однако ученые заметили, что если взять действительное число b на положительной части координатной оси и умножить его на, то получим мнимое число b, неизвестно где расположенное. Но если это число еще раз умножить на, то получим -b, то есть первоначальное число, но уже на отрицательной части координатной оси. Итак, двумя умножениями на мы перебросили число b с положительного в отрицательные, и ровно на середине этого броска число было мнимым. Так нашли место мнимым числам в точках на мнимой координатной оси, перпендикулярной к середине действительной координатной оси. Точки плоскости между мнимой и действительной осями изображают числа, найденные Кардано, которые в общем виде a + b·i содержат действительные числа а и мнимые b·i в одном комплексе (составе), поэтому называются комплексными числами.

Это был 4-ый уровень обобщения чисел.

Постепенно развивалась техника операций над мнимыми числами. На рубеже XVII и XVII веков была построена общая теория корней n-ных степеней сначала из отрицательных, а затем из любых комплексных чисел, основанная на следующей формуле английского математика А. Муавра:

С помощью этой формулы можно было также вывести формулы для косинусов и синусов кратных дуг.

Леонард Эйлер вывел в 1748 году замечательную формулу:

которая связывала воедино показательную функцию с тригонометрической. С помощью формулы Эйлера можно было возводить число е в любую комплексную степень. Любопытно, например, что. Можно находить sin и cos комплексных чисел, вычислять логарифмы таких чисел и т.д.

Долгое время даже математики считали комплексные числа загадочными и пользовались ими только для математических манипуляций. Так, швейцарский математик Бернулли применял комплексные числа для решения интегралов. Чуть позже с помощью мнимых чисел научились выражать решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Такие уравнения встречаются, к примеру, в теории колебаний материальной точки в сопротивляющейся среде.

Алгебраические группы матриц

Алгебраические системы замыканий

Начнем с понятия алгебраической операции. Пусть A - универсальная алгебра с множеством алгебраических операций Щ. Каждая операция щ из Щ имеет определённую арность n, nN{0}. Для любого натурального n n-арная операция щ - это отображение из An в A...

Властивості простих чисел

Взаємно прості числа -- натуральні або цілі числа, які не мають спільних дільників більших за 1, або, інакше кажучи, якщо їх найбільший спільний дільник дорівнює 1. Таким чином, 2 і 3 -- взаємно прості, а 2 і 4 -- ні (діляться на 2)...

Графики и их функции

Рассмотрим основные алгебраические действия над функциями и их графиками, такие как сложение и вычитание (y = f(x) ±g(x)), умножение (y = f(x) ·g(x)), деление (y = f(x) / g(x)). При построении такого типа графиков следует учитывать...

Комплексные числа: их прошлое и настоящее

Математика в средние века

Необходимым условием применения метода фан-чэн к системам уравнений было введение отрицательных чисел. Например, при решении системы, получаем таблицу. Следующий шаг: вычитание элементов третьего столбца справа из элементов первого...

Нумерология

Числа у Пифагора считались не просто абстрактными заменителями реальных вещей, но живыми сущностями, отражающими свойства пространства, энергии или звуковой вибрации. Главная наука о числе, арифметика...

Нумерология

Легенда гласит, что гармонические числа, соотношение которых рождает музыку сфер, были найдены Пифагором. Фламмарион так пересказывает это предание:"Рассказывают, что проходя мимо одной кузницы, он услыхал стук молотов...

Практическое применение квадратурных формул с весом Чебышева-Эрмита

Пусть на всей оси задана четная весовая функция. (1.1) Дифференцируя эту функцию последовательно, находим (1.2) По индукции легко доказать, что производная порядка n от функции (1.1) есть произведение этой функции на некоторый многочлен степени n...

Введем новое недействительное число, квадрат которого равен -1. Это число обозначим символом Я и назовем мнимой единицей. Итак, (2.1) Тогда. (2.2) 1. Алгебраическая форма комплексного числа Если, то число (2.3) называется комплексным числом...

Рекуррентно заданные числовые последовательности

При решении многих задач часто приходится сталкиваться с последовательностями, заданными рекуррентно, но, в отличии от последовательности Фибоначчи, не всегда возможно получить её аналитическое задание...

Трансцендентные уравнения с параметрами и методы их решений

Трансцендентное уравнение - уравнение, содержащее трансцендентные функции (иррациональные, логарифмические, показательные, тригонометрические и обратные тригонометрические) от неизвестного (переменного), например уравнения...

Удивительные числа

Давным-давно, помогая себе при счете камушками, люди обращали внимание на правильные фигуры, которые можно выложить из камушков. Можно просто класть камушки в ряд: один, два, три. Если класть их в два ряда, чтобы получались прямоугольники...

Удивительные числа

Иногда частным случаем дружественных чисел считаются совершенные числа: каждое совершенное число дружественно себе. Никомах Герасский, знаменитый философ и математик, писал: " Совершенные числа красивы. Но известно...

Фрактальные свойства социальных процессов

Геометрические фракталы являются статическими фигурами. Подобный подход вполне приемлем до тех пор, пока не возникает необходимость рассмотрения таких природных явлений, как падающие потоки воды, турбулентные завихрения дыма...

Число называется алгебраическим , если оно является корнем некоторого многочлена с целыми коэффициентами

a n x n +a n-1 x n-1 +... +a 1 x+a 0 (т. е. корнем уравнения a n x n +a n-1 x n-1 +... +a 1 x+a 0 =0 , где a n , a n-1 , ..., a 1 , a 0 --- целые числа, n 1 , a n 0 ).

Множество алгебраических чисел обозначим буквой .

Легко видеть, что любое рациональное число является алгебраическим. Действительно, - корень уравнения qx-p=0 с целыми коэффициентами a 1 =q и a 0 =-p . Итак, .

Однако не все алгебраические числа рациональны: например, число является корнем уравнения x 2 -2=0 , следовательно, --- алгебраическое число.

Долгое время оставался нерешенным важный для математики вопрос: Существуют ли неалгебраические действительные числа? Только в 1844 году Лиувилль впервые привел пример трансцендентного (т. е. неалгебраического) числа.

Построение этого числа и доказательство его трансцендентности очень сложны. Доказать теорему существования трансцендентных чисел можно значительно проще, используя соображения об эквивалентности и неэквивалентности числовых множеств.

А именно, докажем, что множество алгебраических чисел счетно. Тогда, поскольку множество всех действительных чисел несчетно, мы установим существование неалгебраических чисел.

Построим взаимно однозначное соответствие между и некоторым подмножеством . Это будет означать, что - конечно либо счетно. Но поскольку , то бесконечно, и значит, счетно.

Пусть - некоторое алгебраическое число. Рассмотрим все многочлены с целыми коэффициентами, корнем которых является , и выберем среди них многочлен P минимальной степени (т. е. не будет корнем никакого многочлена с целыми коэффициентами меньшей степени).

Например, для рационального числа такой многочлен имеет степень 1, а для числа - степень 2.

Разделим все коэффициенты многочлена P на их наибольший общий делитель. Получим многочлен, коэффициенты которого взаимно просты в совокупности (их наибольший общий делитель равен 1). Наконец, если старший коэффициент a n отрицателен, умножим все коэффициенты многочлена на -1 .

Полученный многочлен (т. е. многочлен с целыми коэффициентами, корнем которого является число , имеющий минимально возможную степень, взаимно простые коэффициенты и положительный старший коэффициент) называется минимальным многочленом числа .

Можно доказать, что такой многочлен определяется однозначно: каждое алгебраическое число имеет ровно один минимальный многочлен.

Количество действительных корней многочлена не больше чем его степень. Значит, можно пронумеровать (например, по возрастанию) все корни такого многочлена.

Теперь всякое алгебраическое число полностью определяется своим минимальным многочленом (т. е. набором его коэффициентов) и номером, который отличает от других корней этого многочлена: (a 0 ,a 1 ,...,a n-1 ,a n ,k).

Итак, каждому алгебраическому числу мы поставили в соответствие конечный набор целых чисел, причем по этому набору восстанавливается однозначно (т. е. разным числам соответствуют разные наборы).

Пронумеруем в порядке возрастания все простые числа (нетрудно показать, что их бесконечно много). Получим бесконечную последовательность {p k } : p 1 =2 ,p 2 =3 , p 3 =5 , p 4 =7 , ... Теперь набору целых чисел (a 0 ,a 1 ,...,a n-1 ,a n ,k) можно поставить в соответствие произведение

(это число положительное и рациональное, но не всегда натуральное, ведь среди чисел a 0 , a 1 , ..., a n-1 , могут быть отрицательные). Заметим, что это число есть несократимая дробь, поскольку простые множители, входящие в разложения числителя и знаменателя, различны. Заметим также, что две несократимые дроби с положительными числителями и знаменателями равны тогда и только тогда, когда и их числители равны, и их знаменатели равны.

Рассмотрим теперь сквозное отображение:

(a 0 ,a 1 ,...,a n-1 ,a n ,k) =

Поскольку разным алгебраическим числам мы поставили в соответствие разные наборы целых чисел, а разным наборам --- разные рациональные числа, то мы, таким образом, установили взаимно однозначное соответствие между множеством и некоторым подмножеством . Поэтому множество алгебраических чисел счетно.

Так как множество действительных чисел несчетно, то мы доказали существование неалгебраических чисел.

Однако теорема существования не указывает как определить, является ли данное число алгебраическим. А этот вопрос иногда является весьма важным для математики.

В этом параграфе мы снова покинем прекрасное и уютное царство целых чисел, по которому разгуливали (чуть было не сказал - слонялись) изучая теорию сравнений. Если проследить историю возникновения и развития знаний человечества о числах, то выявится довольно парадоксальный факт - на протяжении почти всей своей многовековой истории человечество использовало на практике и пристально изучало исключительно малую долю всего множества живущих в природе чисел. Люди долгое время совершенно не подозревали о существовании, как выяснилось впоследствии, подавляющего большинства действительных чисел, наделенных удивительными и загадочными свойствами и называемых теперь трансцендентными. Судите сами (перечисляю ориентировочные этапы развития понятия действительного числа):

1) Идущая из глубины тысячелетий гениальная математическая абстракция натурального числа

Гениальность этой абстракции поражает, а ее значение для развития человечества превосходит, наверное, даже изобретение колеса. Мы привыкли к ней настолько, что перестали восхищаться этим самым выдающимся достижением человеческого разума. Однако попробуйте, для пущей достоверности представив себя не студентом-математиком, а первобытным человеком, или, скажем, студентом-филологом, сформулировать точно, что общего имеется между тремя хижинами, тремя быками, тремя бананами и тремя ультразвуковыми томографами (что общего между тремя собутыльниками мы здесь не рассматриваем). Объяснять не математику, что такое натуральное число “три” - почти безнадежная затея, однако уже пятилетний человеческий детеныш внутренне ощущает эту абстракцию и в состоянии разумно оперировать с ней, выпрашивая у мамы три конфеты вместо двух.

2) Дроби, т.е. положительные рациональные числа

Дроби естественно возникли при решении задач о разделе имущества, измерении земельных участков, исчислении времени и т.п. В древней Греции рациональные числа вообще являлись символом гармонии окружающего мира и проявлением божественного начала, а все отрезки, до некоторого времени, считались соизмеримыми, т.е. отношение их длин обязано было выражаться рациональным числом, иначе - труба (а боги этого допустить не могут).

3) Отрицательные числа и ноль (согласно некоторым научным источникам

Отрицательные числа первоначально трактовались как долг при финансовых и бартерных расчетах, однако потом выяснилось, что без отрицательных чисел и в других областях человеческой деятельности никуда не денешься (кто не верит, пусть посмотрит зимой на градусник за окном). Число ноль, на мой взгляд, первоначально служило скорее не символом пустого места и отсутствием всякого количества, а символом равенства и завершенности процесса расчетов (сколько был должен соседу, столько ему и отдал, и вот теперь – ноль, т.е. жалко).

4) Иррациональные алгебраические числа

Иррациональные числа открыли в пифагорейской школе при попытке соизмерить диагональ квадрата с его стороной, но хранили это открытие в страшной тайне – как бы смуты не вышло! В это открытие посвящались только наиболее психически устойчивые и проверенные ученики, а истолковывалось оно как отвратительное явление, нарушающее гармонию мира. Но нужда и война заставили человечество учиться решать алгебраические уравнения не только первой степени с целыми коэффициентами. После Галилея снаряды стали летать по параболам, после Кеплера планеты полетели по эллипсам, механика и баллистика стали точными науками и везде нужно было решать и решать уравнения, корнями которых являлись иррациональные числа. Поэтому с существованием иррациональных корней алгебраических уравнений пришлось смириться, какими бы отвратительными они не казались. Более того, методы решения кубических уравнений и уравнений четвертой степени, открытые в 16 веке итальянскими математиками Сципионом дель Ферро, Никколо Тартальей (Тарталья – это прозвище, означающее в переводе – заика, настоящей его фамилии я не знаю), Людовиком Феррари и Рафаэлем Бомбелли привели к изобретению совсем уж “сверхъестественных” комплексных чисел, которым суждено было получить полное признание только в 19 веке. Алгебраические иррациональности прочно вошли в человеческую практику уже с 16 века.

В этой истории развития понятия числа не нашлось места для трансцендентных чисел, т.е. чисел не являющихся корнями никакого алгебраического уравнения с рациональными или, что равносильно (после приведения к общему знаменателю), целыми коэффициентами. Правда, еще древние греки знали замечательное число p , которое, как выяснилось впоследствии, трансцендентно, но они знали его только как отношение длины окружности к ее диаметру. Вопрос об истинной природе этого числа вообще мало кого интересовал до тех пор, пока люди вдоволь и безуспешно не нарешались древнегреческой задачей о квадратуре круга, а само число p каким-то загадочным образом повылезало в разных разделах математики и естествознания.

Лишь только в 1844 году Лиувилль построил исторически первый пример трансцендентного числа, а математический мир удивился самому факту существования таких чисел. Лишь только в 19 веке гениальный Георг Кантор понял, используя понятие мощности множества, что на числовой прямой трансцендентных чисел подавляющее большинство. Лишь только в пятом параграфе этой небольшой книжки мы, наконец-то, обратим на трансцендентные числа свое внимание.

Пункт 24. Мера и категория на прямой.

В этом пункте я приведу некоторые предварительные сведения из математического анализа необходимые для понимания дальнейшего изложения. В математике придумано довольно много различных формализаций понятия “малости” множества. Нам понадобятся два из них - множества меры нуль и множества первой категории по Бэру. Оба эти понятия опираются на понятие счетности множества. Известно, что множество рациональных чисел счетно (| Q |= А 0), и что любое бесконечное множество содержит счетное подмножество, т.е. счетные множества самые “маленькие” из бесконечных. Между любым счетным множеством и множеством натуральных чисел N существует биективное отображение, т.е. элементы любого счетного множества можно перенумеровать, или, другими словами, любое счетное множество можно выстроить в последовательность. Ни один интервал на прямой не является счетным множеством. Это, очевидно, вытекает из следующей теоремы.

Теорема 1 (Кантор). Для любой последовательности { a n } действительных чисел и для любого интервала I существует точка р О I такая, что p № a n для любого n О N .

Доказательство. Процесс. Берем отрезок (именно отрезок, вместе с концами) I 1 М I такой, что a 1 П I 1 . Из отрезка I 1 берем отрезок I 2 М I 1 такой, что a 2 П I 2 и т.д. Продолжая процесс, из отрезка I n -1 берем отрезок I n М I n -1 такой, что a n П I n . В результате этого процесса получаем последовательность вложенных отрезков I 1 Й I 2 Й … Й I n Й … пересечение
которых, как известно с первого курса, непусто, т.е. содержит некоторую точку
. Очевидно, что p № a n при всех n О N .

Я не думаю, что читатели ранее не встречались с этим изящным доказательством (хотя в моей практике встречались и очень темные студенты), просто идея этого доказательства далее будет использована при доказательстве теоремы Бэра и поэтому ее полезно напомнить заранее.

Определение. Множество А плотно в интервале I , если оно имеет непустое пересечение с каждым подинтервалом из I . Множество А плотно, если оно плотно в R . Множество А нигде не плотно, если оно не плотно ни в каком интервале на действительной прямой, т.е. каждый интервал на прямой содержит подинтервал, целиком лежащий в дополнении к А .

Легко понять, что множество А нигде не плотно тогда и только тогда, когда его дополнение A ў содержит плотное открытое множество. Легко понять, что множество А нигде не плотно тогда и только тогда, когда его замыкание
не имеет ни одной внутренней точки.

Нигде не плотные множества на прямой интуитивно ощущаются маленькими в том смысле, что в них полным полно дыр и точки такого множества расположены на прямой довольно редко. Некоторые свойства нигде не плотных множеств сформулируем скопом в виде теоремы.

Теорема 2. 1) Любое подмножество нигде не плотного множества нигде не плотно.

2) Объединение двух (или любого конечного числа) нигде не плотных множеств нигде не плотно.

3) Замыкание нигде не плотного множества нигде не плотно.

Доказательство. 1) Очевидно.

2) Если A 1 и A 2 нигде не плотны, то для каждого интервала I найдутся интервалы I 1 М (I \ A 1) и I 2 М (I 1 \ A 2). Значит, I 2 М I \(A 1 И A 2), а это означает, что A 1 И A 2 нигде не плотно.

3) Очевидно, что любой открытый интервал, содержащийся в A ў , содержится также и в
.

Таким образом, класс нигде не плотных множеств замкнут относительно операции взятия подмножеств, операции замыкания и конечных объединений. Счетное объединение нигде не плотных множеств, вообще говоря, не обязано быть нигде не плотным множеством. Пример тому - множество рациональных чисел, которое всюду плотно, но является счетным объединением отдельных точек, каждая из которых образует одноэлементное нигде не плотное множество в R .

Определение. Множество, которое можно представить в виде конечного или счетного объединения нигде не плотных множеств, называется множеством первой категории (по Бэру). Множество, которое нельзя представить в таком виде, называется множеством второй категории.

Теорема 3. 1) Дополнение любого множества первой категории на прямой является плотным.

2) Никакой интервал в R не является множеством первой категории.

3) Пересечение любой последовательности плотных открытых множеств является плотным множеством.

Доказательство. Три сформулированных в теореме свойства являются по существу эквивалентными. Докажем первое. Пусть

– представление множества А первой категории в виде счетного объединения нигде не плотных множеств, I – произвольный интервал. Далее - процесс как в доказательстве теоремы Кантора. Выберем отрезок (именно отрезок, вместе с концами) I 1 М (I \ A 1). Это возможно сделать, так как в дополнении к нигде не плотному множеству A 1 внутри интервала I всегда найдется целый подинтервал, а он, в свою очередь, содержит внутри себя целый отрезок. Выберем отрезок I 2 М (I 1 \ A 2). Выберем отрезок I 3 М (I 2 \ A 3) и т.д. Пересечение вложенных отрезков
не пусто, следовательно, дополнение I \ A не пусто, а это означает, что дополнение A ў плотно.

Второе утверждение теоремы непосредственно следует из первого, третье утверждение также следует из первого, если только сделать над собой усилие и перейти к дополнениям последовательности плотных открытых множеств.

Определение. Класс множеств, содержащий всевозможные конечные или счетные объединения своих членов и любые подмножества своих членов, называется s - идеалом.

Очевидно, что класс всех не более чем счетных множеств является s -идеалом. После небольших размышлений, легко понять, что класс всех множеств первой категории на прямой также является s -идеалом. Еще один интересный пример s -идеала дает класс так называемых нуль-множеств (или множеств меры нуль).

Определение. Множество А М R называется множеством меры нуль (нуль-множеством), если А можно покрыть не более чем счетной совокупностью интервалов, суммарная длина которых меньше любого наперед заданного числа e >0 , т.е. для любого e >0 существует такая последовательность интервалов I n , что
и е Ѕ I n Ѕ < e .

Понятие нуль-множества является другой формализацией интуитивного понятия “малости” множества: нуль-множества - это множества маленькие по длине. Очевидно, что отдельная точка является нуль-множеством и что любое подмножество нуль-множества само является нуль-множеством. Поэтому тот факт, что нуль-множества образуют s -идеал вытекает из следующей теоремы.

Теорема 4 (Лебег). Любое счетное объединение нуль-множеств является нуль-множеством.

Доказательство. Пусть A i – нуль-множества, i = 1, 2, ... . Тогда для каждого i существует последовательность интервалов I ij (j =1, 2, ...) такая, что
и
. Множество всех интервалов I ij покрывает А и сумма их длин меньше e , так как
. Значит, А – нуль-множество.

Никакой интервал или отрезок не является нуль-множеством, т.к. справедлива

Теорема 5 (Гейне – Борель). Если конечная или бесконечная последовательность интервалов I n покрывает интервал I , то

S Ѕ I n Ѕ і Ѕ I Ѕ .

Я не буду приводить здесь доказательство этой интуитивно очевидной теоремы ибо его можно найти в любом мало-мальски серьезном курсе математического анализа.

Из теоремы Гейне-Бореля следует, что s -идеал нуль-множеств, подобно s -деалам не более чем счетных множеств и множеств первой категории не содержит интервалов и отрезков. Общим между этими тремя s -идеалами является также то, что они включают в себя все конечные и счетные множества. Кроме того, существуют несчетные множества первой категории меры нуль. Наиболее знакомый пример такого множества - канторово совершенное (*) множество c М , состоящее из чисел, в троичной записи которых нет единицы. Вспомните процесс построения канторова совершенного множества: отрезок делится на три равные части и средний открытый интервал выкидывается. Каждая из двух оставшихся третей отрезка снова делится на три равные части и средние открытые интервалы из них выкидываются и т.д. Очевидно, что оставшееся после этого процесса множество нигде не плотно, т.е. первой категории. Легко подсчитать, что суммарная длина выкинутых средних частей равна единице, т.е. с имеет меру нуль. Известно, что с несчетно, т.к. несчетно множество бесконечных последовательностей, состоящих из нулей и двоек (каждый элемент с представляется троичной дробью в которой после запятой идет именно последовательность из нулей и двоек).

Предлагаю читателям самостоятельно проверить, что существуют множества первой категории, не являющиеся нуль-множествами, и существуют нуль-множества, не являющиеся множествами первой категории (впрочем, если вас затруднит придумывание соответствующих примеров, не отчаивайтесь, а просто дочитайте этот пункт до теоремы 6).

Таким образом, картинка соотношений между рассматриваемыми тремя s -идеалами такова:

Итак, мы ввели два понятия малости множеств. Нет ничего парадоксального, что множество, малое в одном смысле, может в другом смысле оказаться большим. Следующая теорема неплохо иллюстрирует эту мысль и показывает, что в некоторых случаях, введенные нами понятия малости могут оказаться диаметрально противоположными.

Теорема 6. Числовую прямую можно разбить на два дополняющих друг друга множества А и В так, что А есть множество первой категории, а В имеет меру нуль.

Доказательство. Пусть a 1 , a 2 ,…, a n ,… – занумерованное множество рациональных чисел (или любое другое счетное всюду плотное подмножество R ). Пусть I ij – открытый интервал длины 1/2 i+j c центром в точке a i . Рассмотрим множества:

, j =1,2,...;

; A = R \ B = B ў .

Очевидно, что для любого e >0, можно выбрать j так, что 1/2 j < e . Тогда

,

следовательно, В – нуль-множество.

Далее,
– плотное открытое подмножество R т.к. оно есть объединение последовательности открытых интервалов и содержит все рациональные точки. Это означает, что его дополнение G j ў нигде не плотно, следовательно
– множество первой категории.

Не правда ли, удивительный результат! Из доказанной теоремы следует, что каждое подмножество прямой, оказывается, можно представить в виде объединения нуль-множества и множества первой категории. В следующем пункте мы рассмотрим конкретное разбиение R на два подмножества, одно из которых - трансцендентные числа Лиувилля - меры нуль, но второй категории по Бэру. Скорей в следующий пункт!

Задачки

1. Приведите пример двух всюду плотных множеств, пересечение которых не является всюду плотным. Приведите пример всюду плотного множества, дополнение до которого также всюду плотно. 2. Существует ли несчетное множество меры нуль, плотное на отрезке ? 5. Пусть множество Е на отрезке имеет меру нуль. Является ли его замыкание множеством меры нуль? 6. Пусть множество Е нигде не плотно на отрезке и имеет меру нуль. Является ли его замыкание множеством меры нуль? 7. Существуют ли такие два всюду плотные несчетные множества на прямой, пересечение которых пусто? 8. Постройте на отрезке совершенное нигде не плотное множество ненулевой меры. 9. Пусть s >0, A Н R . Говорят, что множество А имеет нулевую s -мерную меру Хаусдорфа, если для любого e >0 существует последовательность интервалов I n такая, что: и Ѕ I n Ѕ < e при всех n . Докажите, что семейство всех множеств нулевой s -мерной меры Хаусдорфа образует s -идеал; при s =1 он совпадает с классом нуль-множеств, а при 0< s <1 является его собственным подклассом. 10. Пусть последовательность f n (x ) непрерывных функций поточечно сходится к функции f (x ) на отрезке . Докажите, что множество точек разрыва функции f (x ) на этом отрезке является множеством первой категории. **)

NS

НОВОСТИ КУЛЬТУРЫ

НОВЫЕ ПОСТУПЛЕНИЯ В ЭРМТАЖ Художник Валентин Сеpов. "Девочка с пеpсиками". Автоp чутко уловил и умело пеpедал настpоение модели - задумавшейся на минуту о гpустном: вот все тот же пpилавок, те же весы, все вpемя пpодаешь эти пpоклятые пеpсики, а годы идут, и никто замуж не беpет, и все еще девочка... Иван Кpамской. "Неизвестная". В мpачных и напpяженных тонах выдеpжан фон полотна, сама пpедметная композиция. И pезким диссонансом - кpичаще-алая, тpевожащая душу неизвестная x в уpавнении 0,48 Ц x + 456,67 = 8974. Забытый пpидвоpный художник "Поpтpет высокопоставленной дамы" Кавказские гоpы. Напpаво - замок Тамаpы, налево - живая дама стоит, а чем питается и кто ее так высоко поставил - неизвестно. Скульптоp Мухина. "Рабочая и колхозник". Матеpиал - бpынза. Художник Сальеpи. "Моцаpт за pоялем". Так называемое искусство "ready-made" ("искусство готовых объектов"), когда художник выpывает обычный пpедмет из контекста и пpевpащает его в факт искусства. Данную композицию составляют 2 бутылки - "Mozart", пеpед ней -"Royal". Художник Веpмееp. "Девушка в голубом" Стpанная и гpотескная каpтина. В pентгеновски пpосвечиващем ключе даны ее пеpсонажи. Действительно девушка. Действительно в голубом. Василий Кандинский. "Композиция N 456642695244962". Как известно, идея о создании абстpактных каpтин, пpишла в голову художнику, когда он pазглядывал тpяпку, о котоpую вытиpал кисти. Тpяпка, о котоpую он вытиpал ноги, убедила его, что он на веpном пути. Данная pабота пpедставляет собой очеpедное изобpажение знаменитых тpяпок. Художник Мин Здpав. Плакат "Юноша, pазглядывающий бациллу тифа, увеличенную в 10000000000 pаз" Картина Медведева "Три шишки". Федотов “Завтрак аристократа.” Холст. Масло. Хлеб.

Трансцендентное число — комплексное число, не являющееся алгебраическим, то есть не являющееся корнем никакого отличного от нуля многочлена с рациональными коэффициентами.

Существование трансцендентных чисел впервые установил Ж. Лиувилль в 1844 г.; он же построил первые примеры таких чисел. Лиувилль заметил, что алебраические числа не могут «слишком хорошо» приближаться рациональными числами . Именно, теорема Лиувилля гласит, что если алгебраическое число является корнем многочлена степени с рациональными коэффициентами, то для любого рационального числа справедливо неравенство

где постоянная зависит только от. Из этого утверждения следует достаточный признак трансцендентности: если число таково, что для любой постоянной существует бесконечное множество рациональных чисел, удовлетворяющих неравенствам

то трансцендентно. Впоследствии такие числа получили название чисел Лиувилля. Примером такого числа является

Другое доказательство существования трансцендентных чисел было получено Г. Кантором в 1874 г. на основе созданной им теории множеств. Кантор доказал счётность множества алгебраических чисел и несчётность множества действительных чисел, откуда следует, что множество трансцендентных чисел несчётно. Однако, в отличие от доказательства Лиувилля, эти рассуждения не позволяют привести пример хотя бы одного такого числа.

Работа Лиувилля дала начало целому разделу теории трансцендентных чисел — теории приближения алгебраических чисел рациональными или, более общо, алгебраическими числами. Теорема Лиувилля усиливалась и обобщалась в работах многих математиков. Это позволило построить новые примеры трансцендентных чисел. Так, К. Малер показал, что если — непостоянный многочлен, принимающий целые неотрицательные значения при всех натуральных, то для любого натурального число, где — запись числа в системе счисления с основанием, является трансцендентным, но не является числом Лиувилля. Например, при и получаем следующий изящный результат: число

трансцендентно, но не является числом Лиувилля.

В 1873 г. Ш. Эрмит, используя другие идеи, доказал трансцендентность неперова числа (основания натурального логарифма):

Развив идеи Эрмита, Ф. Линдеман в 1882 г. доказал трансцендентность числа, тем самым поставив точку в древней проблеме о квадратуре круга: с помощью циркуля и линейки невозможно построить квадрат, равновеликий (то есть имеющий ту же площадь) данному кругу. Более общо, Линдеман показал, что при любом алгебраическом число трансцендентно. Эквивалентная формулировка: для любого алгебраического числа, отличного от и, его натуральный логарифм является трансцендентым числом.

В 1900 г. на конгрессе математиков в Париже Д. Гильберт среди 23 нерешённых проблем математики указал на следующую, в частной форме сформулированную ещё Л. Эйлером :

Пусть и — алгебраические числа, причём трансцендентным? В частности, трансцендентны ли числа и?

Эта проблема может быть переформулирована в следующей форме, близкой к оригинальной формулировке Эйлера:

Пусть и — алгебраические числа, отличные от и, причём отношение их натуральных логарифмов иррационально. Будет ли число трансцендентным?

Первое частичное решение проблемы было получено в 1929 г. А. О. Гельфондом, который, в частности, доказал трансцендентность числа. В 1930 г. Р. О. Кузьмин усовершенствовал метод Гельфонда, в частности, ему удалось доказать трансцендентность числа. Полное решение проблемы Эйлера-Гильберта (в утвердительном смысле) было получено в 1934 г. независимо А. О. Гельфондом и Т. Шнайдером.

А. Бейкер в 1966 обобщил теоремы Линдемана и Гельфонда-Шнайдера, доказав, в частности, трансцендентность произведения произвольного конечного количества чисел вида и с алгебраическими при естественных ограничениях.

В 1996г. Ю.В. Нестеренко доказал алгебраическую независимость значений рядов Эйзенштейна и, в частности, чисел и. Это означает трансцендентность любого числа вида, где отличная от нуля рациональная функция с алгебраическими коэффициентами. Например, трансцендентной будет сумма ряда

В 1929-1930 гг. К. Малер в серии работ предложил новый метод доказательства трансцендентности значений аналитических функций, удовлетворяющих функциональным уравнениям определённого вида (впоследствии такие функции получили название функций Малера).

Методы теории трансцендентных чисел нашли применение и в других разделах математики, в частности в теории диофантовых уравнений.