Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
5
Về một định lý
Kronecker
K. G. BANKOV (NRB)
Định lý được thảo luận ở đây đóng một vai trò nổi bật trong lý thuyết số. Tuy nhiên, điều thú vị đối với chúng tôi là vì một lý do khác: với sự trợ giúp của nó, có thể giải một cách đơn giản các công thức cơ bản nhưng về cơ bản là khó bài toán. Trước khi trình bày định lý, chúng ta sẽ xem xét hai bài toán như vậy.
Bài 1. Chứng minh tồn tại lũy thừa của 2 có ký hiệu thập phân bắt đầu bằng chữ số 1986.
Để giải bài toán này, chúng ta cần tìm lũy thừa sao cho đối với một số . Lấy logarit cơ số 10, ta được
hoặc
Bài toán sẽ được giải nếu chúng ta tìm được các số tự nhiên và sao cho một trong các số có dạng
(1)
rơi vào một khoảng nhỏ (lg 1986, lg 1987).
Bài toán 2. Tại các đỉnh của một lưới vuông nguyên có vẽ
những con mèo nhỏ giống hệt nhau (hình 1). Chứng minh rằng tia , sẽ cắt nhau, ngoài tia ở giữa thì có ít nhất một con mèo nữa nếu số là số vô tỉ.
Đặt là “chiều rộng của con mèo”, nói cách khác, để con mèo trung tâm cắt trục dọc theo đoạn . Để xác định điều này, chúng ta giả sử rằng chùm tia nằm ở ô vuông đầu tiên (các trường hợp còn lại tương tự). Khi đó tia cắt các đường thẳng tại các điểm có hoành độ , trong đó . Vấn đề sẽ được giải quyết nếu chúng ta tìm thấy và tự nhiên sao cho
hoặc
6
nghĩa là, chúng ta có thể thiết lập rằng một trong các số có dạng
(2)
phục vụ trong một khoảng thời gian nhỏ .
Ý tưởng đáng chú ý của định lý Kroneckar*) là các tập hợp như (1) và (2) chứa các số nằm trong bất kỳ khoảng nào. Để đưa ra một công thức chính xác của định lý này, chúng ta cần một định nghĩa.
Một tập hợp số được cho là dày đặc ở mọi nơi (trong ) nếu bất kỳ khoảng nào chứa một phần tử của tập hợp này. Nói cách khác, dày đặc ở mọi nơi trong nếu với mọi số , đều tồn tại sao cho .
Bài tập
- Cho biết tập hợp nào sau đây dày đặc ở mọi nơi trong : a) tất cả các số hữu tỷ; b) tất cả các số vô tỷ; c) tất cả các số có dạng (); d) tất cả các số có dạng ().
- Đặt tập dày đặc ở mọi nơi trong và một số thực. Chứng minh rằng khi đó các tập hợp
điều tương tự dày đặc ở mọi nơi trong .
Định lý Kronekar. Đối với một số vô tỉ tùy ý thì tập hợp
(3) dày đặc khắp nơi trong .
Bằng chứng. Chúng ta cần chứng minh rằng với hai số bất kỳ mà tồn tại các số có dạng , trong đó sao cho . Chúng ta biểu thị bằng độ dài của khoảng và chia khoảng [0; 1] thành một số hữu hạn các khoảng , mỗi khoảng có độ dài nhỏ hơn . Bây giờ chúng ta hãy lưu ý rằng đối với bất kỳ số nguyên nào, rất lớn, đều có một số nguyên mà số nằm trên khoảng [0; 1]. Vì có vô số số nguyên và đoạn [0; 1] được chia thành một số hữu hạn các khoảng, có các số nguyên mà và các số và nằm trong cùng một khoảng . Điều này có nghĩa là số có giá trị abscylotic nhỏ hơn . Hơn nữa, đẳng thức không thể đúng vì nó ngụ ý rằng là một số hữu tỉ. Từ kết quả trên, suy ra rằng một số bội số của , cũng có dạng , không phải số nguyên, sẽ thuộc về ; định lý đã được chứng minh.
Bình luận. Định lý vẫn đúng nếu thay thế tập (3) bằng tập
Điều này dễ dàng được suy ra từ định lý đã được chứng minh; chúng tôi để lại phần kết luận như một bài tập cho người đọc.
Bây giờ quay lại tập (1) và (2), chúng ta thấy rằng chúng thỏa mãn các điều kiện của định lý: bài toán 1 và 2 nhờ đó được giải. (Chúng ta coi như đã biết rằng số lg 2 là số vô tỷ; tuy nhiên, việc chứng minh điều này không khó.)
Bài tập 3. Chứng minh rằng trong bài toán về con mèo, điều kiện vô tỉ không thể bỏ qua.
Chúng ta hãy xem xét thêm một số bài toán, lời giải sử dụng định lý Kronekar.
Bài toán 3. Chứng minh rằng tồn tại bình phương của một số tự nhiên có ký hiệu mô tả bắt đầu bằng bất kỳ chữ số nào đã cho trước đó.
Lời giải. Hãy tìm bình phương của một số tự nhiên có chữ số thập phân đầu tiên là . Chúng ta hãy biểu thị bằng số . Bây giờ chúng ta hãy tìm một số tự nhiên sao cho với một số tự nhiên các bất đẳng thức đúng
hoặc lg .
Nếu chúng ta chọn số bằng và số là số chẵn, thì lg . (5)
Theo định lý thế (xem (4)) và Bài tập 2, tập hợp
dày đặc ở mọi nơi, và do đó có các số và mà (5) đúng. Vấn đề lời giải.
Đối với lời giải bài toán tiếp theo, chúng ta cũng cần câu lệnh sau:
Bổ đề. Nếu hai hàm liên tục có cùng giá trị khi các đối số là các phần tử của cùng một tập dày đặc ở mọi nơi, thì chúng trùng nhau ở mọi nơi.
Bổ đề này mang tính “hình học”; Chứng minh công thức của nó không hấp dẫn (mặc dù không khó) nên chúng tôi không trình bày.
Bài toán 4. Chứng minh rằng hàm số
không phải veroid.
Lời giải. Giả sử rằng hàm là không nguyên tố và biểu thị bằng một trong
7
ee thời kỳ. Thế thì bình đẳng
(6)
đúng với mọi số thực . Nếu trong đẳng thức này, chúng ta thay thế bằng số FourREM tùy ý , thì chúng ta nhận được
Sử dụng lại tính tuần hoàn của hàm sin, chúng ta thu được đẳng thức
điều này đúng với hai số nguyên bất kỳ và . Theo định lý của Bài tập 2, tập hợp
rõ ràng là dày đặc. Điều này có nghĩa là hàm và sin có cùng giá trị khi các đối số của chúng là các phần tử của cùng một tập dày đặc và do đó (theo bổ đề), trùng khớp về mọi mặt, tức là đẳng thức
(7)
đúng với mọi số thực . Trừ (7) cho (6), ta được
Trong đẳng thức cuối cùng, chúng ta đặt ; chúng tôi nhận được
hoặc
Từ đẳng thức cuối cùng, là một số nguyên. Khi đó từ (7) suy ra
hoặc
Vì có các giá trị mà
rồi ; theo đó là một số nguyên. Tuy nhiên, mặt khác, cũng là một số nguyên và , có nghĩa là là số hữu tỷ, là số sai. Mâu thuẫn thu được chứng tỏ hàm không tuần hoàn.
Đây là một bài toán khác liên quan đến các hàm được thảo luận ở trên.
Bài toán 5. Chứng minh rằng hàm số
không thể lấy giá trị 2 mà lấy giá trị càng gần số 2 càng tốt.
Lời giải. Nếu chúng ta giả sử rằng đối với một số , thì đẳng thức đồng thời sẽ giữ nguyên
và , do đó người ta không thể hiện rằng số là hợp lý, nhưng điều này là sai. Do đó, với bất kỳ số nào.
Nếu là số tùy ý có dạng , trong đó là số nguyên, thì hàm có dạng
Hãy chứng minh rằng có thể tìm được số nguyên sao cho
gần tùy ý với số 1. Xét tính liên tục của hàm sin, chỉ cần tìm các số nguyên và sao cho số gần tùy ý với số . Do đó, chỉ cần chứng minh rằng với mọi dương bất kỳ đều có các số nguyên và thỏa mãn
Chúng ta hãy biến đổi các bất đẳng thức số nguyên cuối cùng về dạng
Bây giờ tất cả chúng ta đều làm theo định lý và bài tập 2.
Bài toán 6. Tìm tất cả các hàm số thực liên tục sao cho .
Lời giải. Cho là một hàm liên tục mà . Điều này có nghĩa là các số 1 và là các chu kỳ của hàm . Khi đó, chu kỳ của hàm cũng là tất cả các số có dạng , trong đó và là số nguyên, nghĩa là với hai số nguyên và bất kỳ đẳng thức là đúng. Đẳng thức cuối cùng có nghĩa là và có cùng giá trị khi thuộc về nhiều dấu kiểm phẳng
Khi đó, theo bổ đề, ta thu được đẳng thức đúng với mọi số , nghĩa là mọi số (thực) là một chu kì của hàm . Bây giờ, nếu và là hai số khác nhau, chúng ta đặt , sau đó
Do đó, nghiệm của bài toán 6 sẽ là tất cả các hàm có dạng , trong đó là một hằng số.