证明e是无理数

e,作为数学常数,是自然对数函数的底数.有时称它为欧拉数(Euler number),以瑞士数学家欧拉命名;也有个较鲜见的名字纳皮尔常数,以纪念苏格兰数学家约翰·纳皮尔 (John Napier)引进对数.它就像圆周率π和虚数单位i,e是数学中最重要的常数之一.那么如何证明e是无理数呢?

证明:因为

\[\mathrm e=1+\dfrac 1{1!}+\dfrac 1{2!}+\dfrac 1{3!}+\cdots+\dfrac 1{n!}+\cdots\]

所以有①式

\[n!\cdot \mathrm e=n!+n!+n(n-1)(n-2)\cdots 3+n(n-1)(n-2)\cdots 4+1+\dfrac 1{n+1}+\dfrac 1{(n+1)(n+2)}+\dfrac 1{(n+1)(n+2)(n+3)}+\cdots\]

若\(\mathrm e\)不是无理数,而是有理数,设\(\mathrm e=\dfrac ab\),其中\(a,b\)为互素的自然数.

那么当\(n\)足够大时(例如\(n>b\)时),①式右边\[n!+n!+n(n-1)(n-2)\cdots 3+n(n-1)(n-2)\cdots 4+1\]显然为整数,而另外一部分\[\begin{split}0&<\dfrac 1{n+1}+\dfrac 1{(n+1)(n+2)}+\dfrac 1{(n+1)(n+2)(n+3)}+\cdots\\&<\dfrac 1{n+1}+\dfrac 1{(n+1)^2}+\dfrac 1{(n+1)^3}+\cdots\\&=\dfrac{\dfrac 1{n+1}}{1-\dfrac 1{n+1}}\\&=\dfrac 1n<1\end{split}\]

所以①式右边不为整数,这与\(n!\cdot\mathrm e=n!\cdot\dfrac ab\)为整数矛盾,因此\(\mathrm e\)是无理数.

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