经典证明:几乎所有有理数都是无理数的无理数次方

    一个无理数的无理数次方是否有可能是一个有理数?这是一个非常经典的老问题了。答案是肯定的,证明方法非常巧妙:考虑根号 2 的根号 2 次方。如果这个数是有理数,问题就已经解决了。如果这个数是无理数,那么就有:

      

    我们同样会得到一个无理数的无理数次方是有理数的例子。

    这是一个典型的非构造性证明的例子:我们证明了无理数的无理数次方有可能等于有理数,但却并没有给出一个确凿的例子。毕竟我们也不知道,真实情况究竟是上述推理中的哪一种。那么,真实情况究竟是上述推理中的哪一种呢? Gelfond-Schneider 定理告诉我们,假设 α 和 β 都是代数数,如果 α 不等于 0 和 1 ,并且 β 不是有理数,那么 α 的 β 次方一定是超越数。根据这一定理我们可以立即看出,根号 2 的根号 2 次方真的是一个无理数,实际情况应该是上述推理中的后者。

    那么,是否存在一个无理数 a ,使得 a 的 a 次方是有理数呢?最近, Stan Dolan 证明了这样一个结论:事实上,几乎所有 (1, ∞) 里的有理数都是某个无理数 a 的 a 次方。

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经典证明:Conway的士兵

    今天听说了 Conway’s Soldiers ,这是 Conway 大牛在 1961 年提出的一个数学谜题(似乎 Conway 的出镜率也太高了),我觉得非常有意思,在这里跟大家介绍一下。内容基本上来自于 Wikipedia 的相关页面

    假设有一个无限大的棋盘。棋盘上可以放置一些象征着士兵的棋子。一个棋子可以跳过并吃掉和它相邻的一枚棋子(就像孔明棋一样)。这是棋子的唯一一种移动方式。现在,在某个位置画一条无限长的水平线,你需要在水平线下面放置足够多的棋子,使得它们前仆后继地往水平线上方跳,最终能够跳到水平线以上 n 个单位的位置。

      

    如图所示,当 n = 1 时,两个棋子就够了。当 n = 2 时,我们需要 4 个棋子。当 n = 3 时,最少需要 8 个棋子。

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趣题:平均要取到第几个随机数才会让序列第一次下降

考虑这么一个游戏:不断在区间 [0, 1] 中概率均等地选取随机数,直到所取的数第一次比上一个数小。那么,平均需要抽取多少个随机数,才会出现这样的情况?

 
答案:记 Pi 为第 i 次才取到小于前一个数的数的概率。则我们要求的就是 P1 + 2 * P2 + 3 * P3 + 4 * P4 + … 。妙就妙在下面这个变形(在继续看下去之前你能想到吗):

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那些神秘的数学常数

    我一直觉得,数学中的各种常数是最令人敬畏的东西,它们似乎是宇宙诞生之初上帝就已经精心选择好了的。那一串无限不循环的数字往往会让人陷入一种无底洞般的沉思——为什么这串数字就不是别的,偏偏就是这个样呢。除了那些众所周知的基本常数之外,还有很多非主流的数学常数,它们的存在性和无理性同样给它们赋予了浓重的神秘色彩。今天,就让我们一起来看一看,数学当中到底有哪些神秘的无理常数。

 
2 ≈ 1.4142135623730950488

    古希腊的大哲学家 Pythagoras 很早就注意到了数学与大千世界的联系,对数学科学的发展有着功不可没的贡献。他还创立了在古希腊影响最深远的学派之一—— Pythagoras 学派。 Pythagoras 学派对数字的认识达到了审美的高度。他们相信,在这个世界中“万物皆数”,所有事物都可以用整数或者整数之比来描述。
    第一个无理数 √2 的发现者就是一位 Pythagoras 学派的学者,他叫做 Hippasus 。据说,一日 Hippasus 向 Pythagoras 提出了这样的问题:边长为 1 的正方形,对角线长度能用整数之比来表示吗? Pythagoras 自己做了一些思考,证明了这个数确实无法用整数之比来表示。由于这一发现触犯了学派的信条,因此 Pythagoras 杀害了 Hippasus 。
    利用勾股定理可知,这个数是方程 x^2 = 2 的唯一正数解,我们通常就记作 √2 。 √2 可能是最具代表性的无理数了,我们之前曾经介绍过很多 2 的无理性的证明。无理数的出现推翻了古希腊数学体系中的一个最基本的假设,直接导致了第一次数学危机,整座数学大厦险些轰然倒塌。
    无理数虽说无理,在生产生活中的用途却是相当广泛。例如,量一量你手边的书本杂志的长与宽,你会发现它们的比值就约为 1.414 。这是因为通常印刷用的纸张都满足这么一个性质:把两条宽边对折到一起,得到一个新的长方形,则新长方形的长宽之比和原来一样。因此,如果原来的长宽比为 x : 1 ,新的长宽比就是 1 : x/2 。解方程 x : 1 = 1 : x/2 就能得到 x = √2

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