Beweis der Irrationalität der eulerschen Zahl

Der Beweis der Irrationalität der eulerschen Zahl ${\displaystyle e}$ kann auf mehrere Arten geführt werden. Beweise der Irrationalität von e gaben zuerst Leonhard Euler 1737,[1] Johann Heinrich Lambert 1768 (beide über Kettenbruchentwicklung) und Joseph Fourier in seinen Vorlesungen an der Ecole Polytechnique 1815 (ein „elementarer“ Beweis als Widerspruchsbeweis). Der Beweis von Fourier ist von Joseph Liouville auch auf den Irrationalitätsbeweis von ${\displaystyle e^{2}}$ ausgedehnt worden.[2] Später wurden noch einige weitere Beweise gegeben.

Der Beweis, dass ${\displaystyle e}$ sogar transzendent ist, ist komplizierter und wurde zuerst 1873 von Charles Hermite geführt.[3][4]

Beweis

Annahme

Dargestellt w​ird der Beweis v​on Fourier.

Wir starten mit der von Leonhard Euler stammenden Darstellung der Eulerschen Zahl ${\displaystyle e}$ als Reihe

${\displaystyle e={\frac {1}{0!}}+{\frac {1}{1!}}+{\frac {1}{2!}}+{\frac {1}{3!}}+{\frac {1}{4!}}+\dots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}}$.

Wie sich leicht zeigen lässt, gilt ${\displaystyle 2<e<3\!}$.

Wir nehmen nun an, die reelle Eulersche Zahl ${\displaystyle e}$ sei rational. Dann ließe sie sich als vollständig gekürzter Bruch ${\displaystyle e={\tfrac {p}{q}}}$ mit ${\displaystyle p,q\in \mathbb {N} }$ darstellen. Da ${\displaystyle 2<e<3\!}$, ist ${\displaystyle e}$ keine ganze Zahl, und somit ist q > 1. Wir multiplizieren die Reihenentwicklung mit ${\displaystyle q!}$, womit wir diese neue Reihe erhalten:

${\displaystyle {\begin{matrix}\underbrace {q!\cdot e} &=&\\\in \mathbb {N} \end{matrix}}{\begin{matrix}\underbrace {{\frac {q!}{0!}}+{\frac {q!}{1!}}+{\frac {q!}{2!}}+{\frac {q!}{3!}}+\cdots +{\frac {q!}{q!}}} &+&\\N\in \mathbb {N} \end{matrix}}{\begin{matrix}\underbrace {{\frac {q!}{(q+1)!}}+{\frac {q!}{(q+2)!}}+\cdots } \quad &(*)&\\0<M<1\end{matrix}}}$

Linke Seite

Es ist ${\displaystyle q!\cdot e=q!\cdot {\tfrac {p}{q}}=(q-1)!\cdot p\in \mathbb {N} }$, da nach Voraussetzung ${\displaystyle p,q\in \mathbb {N} }$.

Rechte Seite, erste Teilsumme

Die Glieder ${\displaystyle q!}$ bis ${\displaystyle {\tfrac {q!}{q!}}=1}$ auf der rechten Seite der Gleichung ${\displaystyle (*)}$ sind ebenfalls alle natürlich, da alle Nenner ${\displaystyle 1!}$ bis ${\displaystyle q!}$ Teiler des Zählers ${\displaystyle q!}$ sind. Die Summe dieser natürlichen Zahlen ist wieder eine natürliche Zahl.

Rechte Seite, zweite Teilsumme

Die Summe aller Glieder, vom Glied ${\displaystyle {\tfrac {q!}{(q+1)!}}}$ ist größer 0, da alle Zähler und Nenner von null verschieden und positiv sind, und zudem kleiner 1, wie folgende Überlegung zeigt:

Das erste Glied ist ${\displaystyle {\tfrac {q!}{(q+1)!}}={\tfrac {1}{q+1}}<{\tfrac {1}{2}}}$, da ${\displaystyle q>1}$, das zweite Glied ist ${\displaystyle {\tfrac {q!}{(q+2)!}}={\tfrac {1}{(q+1)(q+2)}}<{\tfrac {1}{4}}}$, das dritte Glied ist ${\displaystyle <{\tfrac {1}{8}}}$, etc.

Die Summe dieser oberen Schranken i​st eine unendliche, s​o genannte geometrische Reihe u​nd konvergiert:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}+{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{8}}+\cdots \ =\ \sum _{i=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{i}}}\ =\ {\frac {1}{2}}\sum _{i=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{i}}}\ =\ {\frac {1}{2}}\cdot {\frac {1}{1-{\frac {1}{2}}}}\ =\ 1}$.

Für die zweite Teilsumme ${\displaystyle M}$ gilt also ${\displaystyle 0<M<1}$, daher ist ${\displaystyle M}$ keine ganze Zahl.

Widerspruch

Der Ausdruck ${\displaystyle (*)}$ führt zu dem gewünschten Widerspruch, da die rechte Seite, ${\displaystyle N+M}$, anders als die linke Seite, ${\displaystyle q!\cdot e}$, keine ganze und damit keine natürliche Zahl ist.

Schluss

Damit ist die Voraussetzung widerlegt und es gilt ${\displaystyle e\in \mathbb {R} \setminus \mathbb {Q} }$, d. h., ${\displaystyle e}$ ist irrational.

Einzelnachweise

1. Euler: De fractionibus continuis dissertatio. Comm. Acad. Sci. Petrop., Band 9, 1737 (erschienen 1744), 98-137, (E 71), sein Aufsatz über Kettenbrüche. Er geht darauf auch kurz in seiner Introductio in analysin infinitorum, Band 1, 1748 ein. Dass dies ein vollgültiger Beweis war, zeigt (Euler zeigt unter Verwendung der Riccatischen Differentialgleichung, dass die Kettenbruchentwicklung von e nicht abbricht) zum Beispiel Ed Sandifer in seiner Kolumne How Euler did it, Who proved e is irrational ? (MAA online, Februar 2006), PDF.
2. Liouville: Sur l´irrationalité du nombre e. J. Math. Pures Appl., 5, 1840, 192.
3. O. Perron: Irrationalzahlen. de Gruyter, Berlin 1910.
4. E. Krätzel: Zahlentheorie. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1981, S. 81–83.