Processing math: 4%
본문 바로가기
수학

자연상수 e가 무리수인 이유 알아보기

by 여행과 수학 2022. 11. 7.
반응형

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)!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.

728x90