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¿Hay un argumento de plausibilidad suficientemente accesible que $\pi$ es irracional?

Me estaba enseñando a alguien hoy (precisamente, una de doce años de edad) y nos topamos con un problema en círculos. Poco sabía en qué dirección se llevaría. Yo era capaz de dar una rápida plausibilidad argumento de que todos los círculos son semejantes y que están relacionados por una constante (la mayoría de los convencionalmente $π$). Llegamos a la real en el cálculo de $π$ y no había manera de que pudiera escapar de mencionar su irracionalidad. De hecho, siendo un poco brillante estudiante, esta persona le preguntó, después de que yo había escrito la expansión parcial $3.141592...$ si no podía seguir en la computación de los dígitos, y cómo podía hacer eso. Aunque he mencionado aproximación por polígonos como un posible algoritmo de aproximación, ella me aseguró que iba a seguir para encontrar más dígitos, a los que me preguntaron, ¿Con qué fin? De hecho, me pasó, es imposible terminar de computación de los dígitos. Pero se debe empezar a repetir después de algunos dígitos, no importa cuán grande, ella replicó. No, me dijo. Es un número irracional (habíamos hablado acerca de la irracionalidad y era bastante fácil de mostrar una variante de la clásica prueba de la irracionalidad de la $\sqrt 2,$ siendo un simple algebraica de números). Entonces ella le preguntó por las razones de por qué este es el caso. De repente, me encontré breve explicación de como me tenía a mí mismo nunca se han molestado en estudiar alguna de las conocidas pruebas de detalle. Traté de decirle que la conocida pruebas eran imposibles de entender ahora, pero ella persistió a pesar de todo. Entonces me prometió que iba a venir con él cuando nos conocimos.

Sin embargo, estoy seguro de que esto no se benefician de ninguna manera. Por lo tanto, busqué una explicación sencilla (no necesariamente una prueba en el sentido usual de la palabra) que fue lo suficientemente convincente, pero de momento no he encontrado ninguno. Todos los que he encontrado son variantes de Lambert o de Hermite de pruebas, y los que están lejos de lo que yo estoy buscando.

En consecuencia, pensé en preguntar aquí. Tal vez alguien se ha encontrado con una situación similar y había encontrado un argumento suficientemente esclarecedor en ese nivel (que es, un esbozo de ideas o plausibilidad del argumento que puede conducir a una prueba-ideas que siempre puede ser comprendido por cualquier persona, después de todo). En definitiva, ¿sabes de algún argumento que podría presentar a esta persona que al menos podría saciar su curiosidad por ahora hasta que estén listos para el clásico de pruebas (si siguen interesados)? Si es así por favor presente.

Gracias.

33voto

sewo Puntos 58

Pero se debe empezar a repetir después de algunos dígitos, no importa cuán grande, ella replicó.

Esto suena como un malentendido que pudo hacer algo al respecto, mostrando su un concretamente definido diferentes irracional donde es claro ver que los dígitos no pueden repetirse, tales como $$ \sum_{n=1}^\infty 10^{-n^2} $$ Si logras convencerla de que es posible para un número decimal de expansión que no se inicia nunca (y lo seguimos haciendo!) la repetición puede llegar a ser más fácil aceptar que $\pi$ podría ser uno de esos números.

28voto

Milo Brandt Puntos 23147

Me gustaría tratar de convencerla de que la mayoría de los números son irracionales y ni siquiera tratar de $\pi$ - mostrando que la pregunta de "¿los dígitos de $\pi$ repetir?" es trivial (y, de hecho, profundo) es probablemente más valioso que convencerla de que no, especialmente desde que convencer a su de $\pi$'s irracionalidad podría hacer que parezca $\pi$ es especial cuando este es mucho no una propiedad especial de $\pi$.


Se puede argumentar esto de una manera bastante simple; lo principal a tener en cuenta es que un irracional más racional es irracional - esto es fácil de demostrar a través de contradicción mediante entero de las proporciones y no es demasiado malo para mostrar si usted toma "racional" en el sentido de "los dígitos de la repetición", así que usted puede utilizar lo que es probable que sea más cómodo.

De inmediato, una vez que usted obtiene un número irracional, que tiene, en cierto sentido, de que al menos $\frac{1}2$ los números son irracionales, porque si $c$ es cualquier número irracional, a continuación, $x+c$ $x$ racional es siempre irracional. Un poco más de trabajo puede convencer a alguien de que $x+\alpha c$ por entero distinto de cero $\alpha$ siempre será irracional y que los números de la forma $x+\alpha c$ son todos distintos basados en el valor de $(x,\alpha,c)$, lo que parece sugerir que casi cada número es irracional, ya que dado cualquier número racional, puedo producir un número infinito de números irracionales!

Ahora, hay algo de elisión en este argumento - es decir, que mide el tamaño de los conjuntos en forma vaga. La forma habitual para completar este argumento sería considerar la posibilidad de que mod $1$ (es decir, mirar sólo fracciones de las partes), considere la posibilidad de escoger un número al azar en $[0,1)$, y pensar en la probabilidad de golpear a un racional - a continuación, el formal, lo que pasa es que usted puede encontrar un número infinito de pares de distintos conjuntos que tienen la misma probabilidad de golpear como un ser racional, por lo que la probabilidad de golpear a un ser racional debe ser cero.


Como se ha señalado por @R.. en los comentarios, uno podría definir rigurosamente la elección de un número real aleatorio en $[0,1]$ rodando una feria de diez caras de morir varias veces para obtener sus dígitos - de esta manera se le puede dar a un modelo real, con el argumento de que me sugieren y también podría ser utilizado para dar otra prueba de que la probabilidad de conseguir una racional es $0$ - no es tan difícil convencer a sí mismo de que, por cualquier fija $n$$m$, en el caso de que usted roll $n$ dígitos y, a continuación, un patrón con período de $m$ se produce con una probabilidad de $0$ - pero entonces usted tendría contables aditividad decir que la probabilidad de contraer esta para cualquier $n$ $m$ es también cero y un estudiante podría legítimamente se oponen a que el razonamiento desde contable aditividad es difícil motivar al innumerables aditividad es claramente errónea.

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Kevin Puntos 385

Una rigurosa prueba puede no ser posible en este nivel de matemáticas. Sin embargo, usted puede ser capaz de salirse con un enfoque más informal.

En primer lugar, convencerla de que pi es igual a algunos generalizada continuó fracción, tales como: $$ \pi = 3 + \frac{1^2}{6 + \frac{3^2}{6 + \frac{5^2}{6 + \frac{7^2}{\ddots}}}} $$ (o elegir otro ejemplo que converge más rápido?)

Usted puede hacer esto mediante el cálculo de las sumas parciales y mostrando cómo convergen. Ahora, tomar algunas sumas parciales y tratar de simplificar cada uno de ellos. Escribe todos los números enteros como su primer factorizations, para hacer evidente que se están haciendo cada vez más complejo y no "muy bien cancelación." Ahora, usted puede argumentar convincentemente que no vas a llegar a un regular fracción siguiendo este proceso, por lo que el pi debe ser irracional.

Esto no es un "real" de la prueba, y se debe resaltar que existen otras piezas que has dejado. En particular, se están omitiendo una prueba de que la continuación de la fracción realmente es igual a pi, y una prueba de que la continuación de la fracción es un número irracional. Usted puede también quiero mencionar el hecho de que el infinito sumas necesidad de una definición formal.

Para mayor rigor, utilice una corriente alterna de la serie, de modo que usted pueda soporte pi tanto desde arriba como desde abajo. Esta es sin duda una "mejor" prueba, ya que elimina progresivamente a partir de la consideración de las fracciones con mayor denominadores, lo que significa que usted no puede tener "algo divertido", ocurren en el límite (cf. $0.999\ldots = 1$ y relacionadas con límites). Otro ejemplo sugerido por PM 2Ring en los comentarios es la de Wallis producto: $$ \prod_{n=1}^\infty \bigg (\frac{2n}{2n-1} \cdot \frac{2n}{2n+1} \bigg ) = \frac{\pi}{2} $$ Este corchetes $\frac{\pi}{2}$ por arriba y por debajo debido a que los términos son alternativamente mayor y menor que uno. También es "muy claro" que cada producto parcial tendrá una progresivamente más grandes y de mayor potencia de dos, en el numerador (mientras que el denominador es siempre impar).

1voto

runeh Puntos 1304

Hay un número de cosas, y esto va a ser demasiado largo para un comentario.

La primera es que por lo que sabemos, la primera $n$ dígitos de $\pi$ se encuentra en el orden en algún lugar más adelante en la expansión decimal, lo $n$ elegimos, pero no va a ser a partir de la $n^{th}$ lugar (* - a ver después de este párrafo), (o tal vez desplazados por $1$ dependiendo de cómo, precisamente, contar), de nuevo, por lo que sabemos, y que sin duda no será en la forma de un decimal periódica. La primera parte de esto se debe a $\pi$ conjeturó como "normal", que es un concepto que vale la pena explorar - esto significa que se espera que cualquier cadena de $n$ dígitos debe ser encontrado en la expansión decimal con el promedio de frecuencia de la que cabría esperar por azar. La segunda parte es debido a $\pi$ es conocido por no ser racional.

(*) Para las pequeñas $n$ o especialmente construido bases, o incluso de un ciego azar, es posible que no sería de corta recurrencias por casualidad o diseño (ver comentarios). Es cierto que estas no persisten. Queda la posibilidad de que hay alguna característica especial de $\pi$ (que, después de todo, no es un número al azar, sino de una elección deliberada uno con propiedades especiales ya conocido) que podrían ser explotados para hacer esto, pero no creo que nadie ha encontrado aún.

Es muy fácil demostrar que el recurrente decimal es racional. Si el número de $r$ $n$ dígitos que se repiten con el tiempo, a continuación, $10^nr-r=(10^n-1)r$ será un decimal finito y, por tanto, de la forma $\frac {p}{10^q}$ para los números enteros $p$ $q$ y tenemos $$r=\frac {p}{10^q(10^n-1)}$$

Es posible demostrar que casi cada número real es normal (Hardy y Wright - Introducción a la Teoría de los Números - lo hacen en su capítulo sobre decimales, que es, posiblemente, accesibles, sin duda, el de las ideas - que también tiene una prueba de la irracionalidad de la $\pi$ que no sería accesible). Pero la Diagonal de Cantor truco para mostrar que la mayoría de los números reales que no son racionales pena introducir. Y puesto que todos los recurrentes números son racionales, la mayoría no debe ser recurrente.

Esto no es exactamente la respuesta a su pregunta completa, pero hay algunos muy interesantes de las matemáticas al acecho aquí justo debajo de la superficie.

1voto

Tal vez el estudiante no entiende que los números irracionales no tienen ninguna se repite en sus representaciones decimales, mientras racionales terminar o finalizar en una repetición de ciclo. Mostrar sus fracciones como 12345/99999. Así que si pi tenido un decimal de repetición de patrón, sería racional. Enséñele cómo convertir entre números que terminan con la repetición de los ciclos y su fracción equivalente. Enseñar a sus APROXIMACIONES a la pi, como 22/7 y 355/113. Ella podría usar una calculadora para verificar que estos no son exactos.

Explicar al estudiante acerca de los números algebraicos y trascendental números. A continuación, mostrar pi/4 como una solución a tan(x)=1. Luego mostrarle el poder de la serie de bronceado. Desde pi es la solución a una serie INFINITA, no es una solución a un número finito polinomio... así que no puede ser algebraicas.

No es exactamente el sonido de matemáticas, pero podría satisfacer el estudiante por ahora.

De 12 años de edad? Ella debe ser muy clara. ¿Qué es lo que tengo para las clases de música? (Las matemáticas y la música parecen ir juntos).

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