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ルート 2 が分数で書けないのはなぜ?背理法で示す無理数の証明

を、分数で正確に書き表すことはできません。 も も、近いだけです[1]。

「まだ見つかっていない」ではなく「存在しない」。分数で書けたと仮定すると矛盾が出る、という形で示します。

有理数と無理数

整数の比 で書ける実数を有理数、書けない実数を無理数といいます[2]。

も も有理数。整数も小数も、比の形になれば有理数です。

がそこに入らないことを示すのが、この記事の目標になります。

背理法の骨組み

と書けたとします。ここで と は整数で、これ以上約分できない形にしておく。

両辺を 2 乗すると 、つまり です。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… proStep[proIndex][0] …)

が偶数なので も偶数。奇数を 2 乗しても奇数にしかならないためです。

と置くと で、。同じ理屈で も偶数になります。

どこで矛盾になるか

も も偶数なら、 はまだ で約分できます。約分できない形に置いたはずでした。

仮定が誤っていたことになります。よって は分数で書けません[3]。

約分の条件を置かない書き方もあります。その場合は「 で割り続けられる」という形になり、正の整数が無限に小さくなる矛盾を使います。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… halForm[halIndex] …)

例:ルート 3 でも同じ筋道

(既約)と置くと 。 が の倍数です。

は素数なので、 も の倍数になります。 と置くと で、。

も の倍数となり、既約に反しました。 も無理数です。

例:ルート 4 では通らない

同じ手順を で試すと、途中で止まります。 から が出るだけ。

が の倍数だと分かっても、 が の倍数だとは言えません。 が反例です。

効いていたのは「 が素数のとき、 が を割るなら も割る」という性質でした。 は素数ではないので使えません。

が素数でないと、 から が言えません。

は成り立つが は成り立たない。証明の要はここにある。

平方数でなければ無理数

一般に、 が平方数でない自然数なら は無理数です。

の素因数分解に、指数が奇数の素数 が必ず含まれます。その について、上と同じ議論が通る。

、、 はどれも無理数。 や だけが整数になります。

例:ルート 2 とルート 3 の和

も無理数です。これが有理数 だと仮定します。

2 乗すると なので、。右辺は有理数どうしの計算なので有理数です。

ところが は平方数ではないので は無理数。矛盾しました。

近似する分数

無理数でも、分数でいくらでも近づけられます。 の近似分数を精度の順に並べます[1]。

で、小数第 5 位まで合っています。それでも一致はしません。

無理数の小数表示は、終わりもせず、くり返しもしません[2]。 の桁は と、規則なく続きます。

検算のしかた

証明の各段を、具体的な数で試します。 が奇数なら も奇数。、 で確かめられます。

で証明が止まる点も見ておきます。止まらなければ、素数を使っていない証明になっている。

近似分数は 2 乗して確かめます。 で、 より だけ大きい。

が無理数であることの証明で、 が偶数から が偶数を導く根拠はどれですか。

  • 偶数の 2 乗は偶数だから
  • 奇数を 2 乗しても奇数にしかならないから
  • と が互いに素だから
__RESULT__

が奇数なら も奇数になります。 が偶数である以上、 は奇数ではありえません。

分数で書けたと置き、既約という条件にぶつける。証明はこの一手で、あとは計算が続くだけです。

参考文献

Square root of 2 - Wikipedia
Irrationale Zahl - Wikipedia
Nombre irrationnel - Wikipédia
$\frac{99}{70}$ も $\frac{577}{408}$ も $\sqrt{2}$ に近いだけで、一致はしません。「まだ見つかっていない」ではなく「存在しない」ことを示します。既約分数 $\frac{a}{b}$ と置いて 2 乗すると $a^2 = 2b^2$。$a$ が偶数だと分かり、続いて $b$ も偶数になって、約分できない形に置いた前提とぶつかります。$\sqrt{3}$ でも同じ筋道が通り、$\sqrt{4}$ では途中で止まる理由、平方数でなければ無理数になること、$\sqrt{2}+\sqrt{3}$ が無理数である示し方まで扱いました。