자연상수 e의 정의
1. ∑∞n=01n!=e
2. lim
3. \int_{1}^e\frac{1}{x}dx=e
자연상수 e가 무리수인 이유
e의 테일러 급수를 이용하여 e가 무리수인 이유를 증명해보자.
e^x의 테일러급수 식은
e^x = 1+\frac{x}{1!}+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+ \cdots + \frac{x^n}{n!}+ \cdots
x=1을 대입하면,
e^x=1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+ \cdots +\frac{1}{n!}+\cdots
이제 e가 유리수라고 가정하자. e=\frac{m}{n}으로 나타내자. ( m, n 은 정수)
e=\frac{m}{n}=(1+\frac{1}{1!}+ \frac{1}{2!} + \cdots + \frac{1}{n!}) + (\frac{1}{(n+1)!}+\frac{1}{(n+2)!}+\cdots)
양변에 n! 을 곱하면,
m(n-1)!=(n!+\frac{n!}{1!}+\frac{n!}{2!}+\cdots+\frac{n!}{n!})+(\frac{1}{(n+1)}+\frac{1}{(n+1)(n+2)}+\cdots)
m(n-1)!와 n!+\frac{n!}{1}+\frac{n!}{2!}+\cdots + \frac{n!}{n!} 는 모두 정수이고
0<\frac{1}{n+1} + \frac{1}{(n+1)(n+2)}+\frac{1}{(n+1)(n+2)(n+3)}+\cdots
< \frac{1}{n+1}+ \frac{1}{(n+1)(n+1)}+\frac{1}{(n+1)(n+1)(n+1)}+\cdots
=\frac{1}{n+1}+\frac{1}{(n+1)^2}+\frac{1}{(n+3)^3}+\cdots
=\frac{\frac{1}{n+1}}{1-\frac{1}{n+1}}=\frac{1}{n}<1
따라서 \frac{1}{n+1}+\frac{1}{(n+1)(n+2)}+\frac{1}{(n+1)(n+2)(n+3)}+\cdots 는 소수이다.
m(n-1)! = (n!+\frac{n!}{1!}+\frac{n!}{2!}+\cdots + \frac{n!}{n!}) +(\frac{1}{(n+1)}+\frac{1}{(n+1)(n+2)}+ \cdots)
이는 e가 유리수라는 가정에 모순이다. 따라서 e는 무리수이다.
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