證明圓周率 π 是無理數

前陣子在 Michael Penn 教授的 YouTube 頻道上看到的證明:

這個證明方式在其他人的 YouTube 頻道也有做過,像是 MindYourDecisions 在 2019/3/14 (Pi Day) 發表的影片:

這兩篇使用的方法是 Ivan M. Niven 在 1946 年提出來的方法 (發表在 1947 年 AMS 的期刊,第 53 期的 Bulletin of the American Mathematical Society 上):「A simple proof that π is irrational」。

先不討論證明方法本身,我把這份 PDF 印出來慢慢看,當年用打字機打的字型讀起來超有味道的... (這份 PDF 看起來是掃描檔)

從 PDF 可以看出證明超級短,只有一頁,但畢竟這是大師丟出來的證明,裡面其實省了很多步驟。這接步驟不難推導,但是是屬於考試作答時不能省略的部份,如果加上去的話應該會兩到三頁 (還是非常短)。

整個證明的過程很巧妙的設計了兩個函數搭配反證法。裡面有用到微積分,但只用到最基本的微積分,其中微分的部份用到的公式就這三個,其中是三角函數的微分公式:

\frac{d}{dx} sin(x) = cos(x)\newline\newline\frac{d}{dx} cos(x) = -sin(x)

然後是兩個函數相乘後的微分公式:

\frac{d}{dx} f(x)g(x) = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)

積分的部份只用了定義的部份 (主要是在微分的部份證完)。

然後證明是圍繞在「整數」上面做文章,夾擠出一個不可能的情況,因此得到矛盾,證明了 π 是無理數。

整個證明可以在高三範圍 (如果現在高三還有教微積分的話) 或是大一教過微積分之後的程度證完,作者講的 "Simple" 主要是出自這邊...

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