Juyoung JeongComments Off on "원주율 $\pi$는 무리수이다."의 증명
증명. 모순을 이끌어 내기 위해 원주율 $\pi$가 유리수(rational number)라고 가정해보자. 즉, 서로소인 두 정수 $a,\,b$가 존재하여 $e = \frac{a}{b}$ 라고 나타낼 수 있다고 가정해보자. 이제 임의의 자연수 $n$에 대하여 아래와 같은 함수를 정의한다.
를 얻고 따라서 $f(x)$는 최고차항의 차수가 $2n$이고 최저차항의 차수가 $n$인 다항식(polynomial)임을 알 수 있다. 여기서 항 $x^k$의 계수 $m_k$는 모두 정수임을 기억하자. 먼저 $0<k<n$에 대하여 $f^{(k)}(0) = 0$이고 $k>2n$에 대해서도 $f^{(k)}(0) = 0$임은 쉽게 확인 할 수 있다. 이제 $n \leq k \leq 2n$인 경우, $f^{(k)}(0)$의 값은 $f^{(k)}(x)$의 상수항의 계수와 같고 이는
\[ \frac{k!m_k}{n!} \]
와 같다. 이제 $n \leq k \leq 2n$에 대하여 $k!$이 $n!$의 배수이므로, 이 상수항의 계수는 정수가 됨을 알 수 있다. 그러므로 모든 자연수 $k$에 대하여 $f^{(k)}(0)$의 값은 정수이다. 또한 앞서 살펴본 $f(x) = f(\pi-x)$라는 사실에 연쇄법칙(chain rule)을 반복적으로 적용하면, 모든 자연수 $k$에 대하여
이제 $n$을 충분히 크게 잡으면 우변의 $\frac{\pi^{n+1} a^n}{n!}$ 을 $1$보다 작게 만들어 줄 수 있고 따라서 이 적분값은 $0$과 $1$ 사이의 수임과 동시에 정수여야만 하는데 이는 모순이다. 따라서 $\pi$는 무리수(irrational)여야만 한다.