证明π是无理数

圆周率用字母π(读作pài)表示,是一个常数(约等于3.141592654),是代表圆周长和直径的比值.它是一个无理数,即无限不循环小数.在日常生活中,通常都用3.14代表圆周率去进行近似计算.而用十位小数3.141592654便足以应付一般计算.即使是工程师或物理学家要进行较精密的计算,充其量也只需取值至小数点后几百位.那么如何证明π是无理数呢?

证明:首先证明:

\[\int_0^tf(u)\sin udu=\left[F'(u)\sin u-F(u)\cos u\right]\left.\right|_0^t,\]

其中

\[F(x)=f(x)-f''(x)+f^{(4)}(x)-\cdots+(-1)^nf^{(2n)}(x)+\cdots\]

这是容易的,只需要兑右边求导然后抵消就可以了.

若\(\pi\)不是无理数,则令\(\pi=\frac ab\),其中\(a,b\)为互素的自然数.

取\[f(x)=\frac{x^n(a-bx)^n}{n!},t=\pi,\]则

\[\int_0^tf(u)\sin udu=\int_0^{\pi}\frac{x^n(a-bx)^n}{n!}\sin xdx.\]

考虑右边的积分函数,当\(0<x<\pi\)时,

\[0<\frac{x^n(a-bx)^n}{n!}\sin x<\frac{a^nx^n(\pi-x)^n}{n!}.\]

当\(n\)足够大时,

\[\frac{a^nx^n(\pi-x)^n}{n!}<\frac 1{\pi},\]

从而\[0<\int_0^{\pi}\frac{x^n(a-bx)^n}{n!}\sin xdx<1.\]

再看右边,

\[\left[F'(u)\sin u-F(u)\cos u\right]\left.\right|_0^t=F(\pi)+F(0).\]

很显然,无论\(F(\pi)\)还是\(F(0)\),它的每一项均为整数,因此\(F(\pi)+F(0)\)为整数.

这样就导出了矛盾,因此\(\pi\)是无理数.

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