Irrationalitätsbeweise

In Beispiel 5225H wurde gezeigt, dass p\sqrt p für jede Primzahl pp irrational ist. Um ein allgemeineres Kriterium der Irrationalität von Wurzelausdrücken zu erhalten, untersuchen wir Polynome mit ganzzahligen Koeffizienten.

Polynome mit ganzzahligen Koeffizienten

Sei
P(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0P(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\dots+a_1x+a_0 (1)
ein Polynom nn-ten Grades mit ganzzahligen Koeffizienten (akZa_k\in\Z; an0a_n\neq 0). Für seine Wurzeln gilt.

Satz 16HW

Sei der gekürzte Bruch pq\dfrac p q Wurzel des Polynoms (1). Dann gilt: pa0p|a_0 und qanq|a_n.

Beweis

Nach Voraussetzung sind pp und qq teilerfremd und es gilt P(pq)=an(pq)n+an1(pq)n1++a1pq+a0=0P\left(\dfrac p q\right)=a_n\left(\dfrac p q\right)^n+a_{n-1}\left(\dfrac p q\right)^{n-1}+\dots+a_1\dfrac p q+a_0=0 und nach Multiplikation mit qnq^n gilt
anpn+an1qpn1++a1qn1p+a0qn=0a_np^n+a_{n-1}qp^{n-1}+\dots+a_1q^{n-1}p+a_0q^n=0,(2)
und daher
an1qpn1++a1qn1p+a0qna_{n-1}qp^{n-1}+\dots+a_1q^{n-1}p+a_0q^n =q(an1pn1++a1qn2p+a0qn1)=q(a_{n-1}p^{n-1}+\dots+a_1q^{n-2}p+a_0q^{n-1}) =anpn =-a_np^n.
Also teilt qq das Produkt anpna_np^n und da pp und qq teilerfremd sind, gilt qanq|a_n.
Schreibt man (2) in der Form
p(anpn1+an1qpn2++a1qn1)=a0qnp(a_np^{n-1}+a_{n-1}qp^{n-2}+\dots+a_1q^{n-1})=-a_0q^n,
so schließt man analog, dass pa0p|a_0. \qed

Folgerung

Die Wurzeln des Polynom xna=0x^n-a=0 sind für n>1n>1 und aa prim stets irrational.
Damit sind wie in Beispiel 5225H auf anderem Weg gezeigt 2\sqrt 2, 3\sqrt 3, 5\sqrt 5 usw. irrational.

Beweis

Sei der gekürzte Bruch pq\dfrac p q Lösung von xna=0x^n-a=0, dann ist q1q|1, also q=±1q=\pm1 und pap|a, also p=ap=a oder p=1p=1. Beide Möglichkeiten sind keine Lösungen der Gleichung, daher existieren keine rationalen Lösungen. \qed

Satz 16HW liefert ein Kriterium, um auch bei vielen anderen Wurzelausdrücken zu entscheiden ob sie irrational sind.

Beispiel

63\sqrt [3] 6 ist irrational. Denn q=±1q=\pm 1 und p=1;2;3;6p=1;2;3;6 liefert für keine Kombination eine Lösung von x36=0x^3-6=0.
 
 

Es gibt Dinge, die den meisten Menschen unglaublich erscheinen, die nicht Mathematik studiert haben.

Archimedes

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