Lindemann–Weierstrassの定理

同義語:Lindemann-Weierstrassの定理Lindemann–Weierstrass theorem

概要

Lindemann–Weierstrassの定理(Lindemann–Weierstrass theorem)とは、相異なる代数的数 $\alpha_1,\dots,\alpha_n$ について、$e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n}$ が代数的数全体の体上で線形独立であるという超越数論の定理である。$\mathbb{Q}$ 上線形独立な代数的数を指数とする値が代数的独立であるという形と同値である。系として、$0$ でない代数的数 $\alpha$ について $e^\alpha$ は超越数であり(Hermite–Lindemann の定理)、$e$ と $\pi$ も超越数である。証明は Hermite の補助関数による積分から $0$ でない整数をつくり、階乗による下からの評価と上からの評価を比べる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 超越数, 代数的数, 代数的整数, Galois拡大

ネイピア数 $e$ が超越数であることは Hermite が 1873 年に、円周率 $\pi$ が超越数であることは Lindemann が 1882 年に示した。Weierstrass は 1885 年に、両者を含む一般の定理の形に整えた。Lindemann–Weierstrass の定理は、相異なる代数的数 $\alpha_1,\dots,\alpha_n$ について、指数関数の値 $e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n}$ の間には代数的数を係数とする 1 次の関係が 1 つもないことを主張する。$n=2$、$\alpha_2=0$ の場合が「$0$ でない代数的数 $\alpha$ について $e^\alpha$ は超越数」(Hermite–Lindemann の定理)であり、$e^{i\pi}=-1$ と組み合わせると $\pi$ の超越性が従う。
証明は Hermite の補助関数による。$f$ を多項式として積分 $\int_0^te^{t-u}f(u)\,du$ を考えると、部分積分によって $e^t$ と $f$ の導関数の値の 1 次式に書ける。$f$ を「$\alpha_i$ で高い位数の零点をもつ」ように選ぶと、仮定した 1 次の関係からつくった数は $0$ でない整数になって大きな階乗以上になる一方、積分の評価から指数関数程度にしか大きくなれず、矛盾が生じる。

主張

Lindemann–Weierstrass の定理

$\alpha_1,\dots,\alpha_n$ を相異なる代数的数、$\beta_1,\dots,\beta_n$ を代数的数とし、少なくとも 1 つの $\beta_i$ は $0$ でないとする。このとき
$$ \beta_1e^{\alpha_1}+\beta_2e^{\alpha_2}+\dots+\beta_ne^{\alpha_n}\neq0 $$
である。言い換えると、相異なる代数的数 $\alpha_1,\dots,\alpha_n$ に対し、$e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n}$ は代数的数全体のなす体 $\overline{\mathbb{Q}}$ 上線形独立である。

証明の構成

証明は節「証明」で行う。lem-lw-reduction で、関係を「指数の集合が共役で閉じ、係数が共役で不変な整数」の形に直し、prf-lw-main で、その形の関係が lem-lw-hermite-integral の積分と両立しないことを示す。

超越数 の記事の定理「Lindemann–Weierstrass の定理(代数的独立の形)」は、同じ定理を代数的独立性の形で述べている。2 つの形は同値である(cor-lw-algebraic-independence、rem-lw-equivalence)。この記事では線形独立の形を証明し、そこから代数的独立の形と個々の数の超越性を導く。線形独立の形は HW60 p. 176 に述べられている(証明はない)。

代数的独立性の形

$\alpha_1,\dots,\alpha_n$ を $\mathbb{Q}$ 上線形独立な代数的数とする。このとき $e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n}$ は $\mathbb{Q}$ 上代数的独立である。すなわち、$0$ でない $n$ 変数の有理数係数の多項式 $F$ で $F(e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n})=0$ となるものは存在しない。

$F=\sum_{k\in S}a_kX_1^{k_1}\cdots X_n^{k_n}$($S$ は $0$ 以上の整数の組 $k=(k_1,\dots,k_n)$ の有限集合で、$a_k\neq0$ は有理数)とする。$k\cdot\alpha:=k_1\alpha_1+\dots+k_n\alpha_n$ とおくと
$$ F(e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n})=\sum_{k\in S}a_ke^{k\cdot\alpha} $$
である。$k\cdot\alpha$ は代数的数であり(超越数 の命題「代数的数全体は体をなす」)、$S$ の相異なる $k,k'$ について $k\cdot\alpha\neq k'\cdot\alpha$ である。実際 $k\cdot\alpha=k'\cdot\alpha$ なら $(k-k')\cdot\alpha=0$ は $0$ でない整数係数の 1 次関係となり、線形独立性に反する。よって thm-lw-main により右辺は $0$ でない。$\square$

2 つの形の同値性

逆に、cor-lw-algebraic-independence から thm-lw-main が従う。したがって 2 つの形は同値である。

詳しい証明を開く

$\alpha_1,\dots,\alpha_n$ を相異なる代数的数、$\beta_i$ を $0$ でない代数的数とし、$\sum_i\beta_ie^{\alpha_i}=0$ と仮定する。$n=1$ なら $\beta_1e^{\alpha_1}\neq0$ は明らかなので $n\ge2$ とする。$\alpha_i$ たちが張る $\mathbb{Q}$ 上の線形空間の基底 $\omega_1,\dots,\omega_t$ をとり、$\alpha_i=\sum_jr_{ij}\omega_j$($r_{ij}\in\mathbb{Q}$)と書く。$r_{ij}$ の分母の公倍数 $N$ をとり $\omega_j':=\omega_j/N$ とおけば、$\alpha_i=\sum_jm_{ij}\omega_j'$ で $m_{ij}$ は整数である。$\omega_1',\dots,\omega_t'$ も $\mathbb{Q}$ 上線形独立な代数的数である。$\alpha_i$ が相異なるので、整数の組 $m_i:=(m_{i1},\dots,m_{it})$ は相異なる。

十分大きな整数 $c$ をとり $m_{ij}+c\ge0$ とすると、$P(Y):=\sum_i\beta_iY_1^{m_{i1}+c}\cdots Y_t^{m_{it}+c}$ は相異なる単項式の和なので $0$ でない多項式であり、$P(e^{\omega_1'},\dots,e^{\omega_t'})=e^{c(\omega_1'+\dots+\omega_t')}\sum_i\beta_ie^{\alpha_i}=0$ である。$\beta_i$ をすべて含む $\mathbb{Q}$ の有限次 Galois 拡大 $L\subset\mathbb{C}$ をとり、$R:=\prod_{\sigma\in\mathrm{Gal}(L/\mathbb{Q})}\sigma(P)$($\sigma$ は係数に作用させる)とおく。$\mathrm{Gal}(L/\mathbb{Q})$ の元は積の因子を並べ替えるだけなので $R$ の係数は固定体 $\mathbb{Q}$ に属し(Galois拡大)、$R$ は $0$ でない多項式の積なので $0$ でなく、因子 $\sigma=\mathrm{id}$ が $0$ になるので $R(e^{\omega_1'},\dots,e^{\omega_t'})=0$ である。これは cor-lw-algebraic-independence に反する。$\square$

Hermite–Lindemann の定理

$\alpha$ を $0$ でない代数的数とすると、$e^\alpha$ は超越数である。とくに、$0,1$ でない代数的数 $a$ について、$e^w=a$ を満たす複素数 $w$($a$ の対数の値)はどれも超越数である。

$b:=e^\alpha$ が代数的数なら、$1\cdot e^\alpha+(-b)\cdot e^0=0$ は相異なる代数的数 $\alpha,0$ と、$0$ でない係数 $1$ を含む代数的数の係数による関係であり、thm-lw-main に反する。後半:$a\neq1$ なので $w\neq0$ である。$w$ が代数的数なら、前半により $a=e^w$ は超越数となり、$a$ が代数的数であることに反する。$\square$

$e$ と $\pi$ の超越性

$e$ と $\pi$ は超越数である。

$e=e^1$ なので、cor-lw-hermite-lindemann で $\alpha=1$ とすればよい。$\pi$ については、$e^{i\pi}=-1$ は $0,1$ でない代数的数なので、cor-lw-hermite-lindemann の後半により $i\pi$ は超越数であり、超越数 の系「超越数と代数的数の演算」により $\pi=(i\pi)/i$ も超越数である。$\square$

同じ議論で $\log2$ や $\cos1$、$\sin1$ も超越数になる(超越数 の例「Lindemann–Weierstrass の定理の帰結」)。$\cos$ と $\sin$ については、次の例のように thm-lw-main を直接当てるほうが短い。

例と反例

線形独立の形から分かること
  1. $0$ でない代数的数 $\alpha$ について、$\cos\alpha$ と $\sin\alpha$ は超越数である。$c:=\cos\alpha$ が代数的数なら、$2\cos\alpha=e^{i\alpha}+e^{-i\alpha}$ から
    $$ e^{i\alpha}+e^{-i\alpha}-2c\,e^{0}=0 $$
    となる。$i\alpha,-i\alpha,0$ は相異なる代数的数($\alpha\neq0$)で、係数 $1,1,-2c$ は代数的数なので、thm-lw-main に反する。$\sin\alpha$ も $e^{i\alpha}-e^{-i\alpha}-2i\sin\alpha\cdot e^0=0$ から同様である。たとえば $\cos1$、$\sin\sqrt2$ は超越数である。
  2. $e$ は $\overline{\mathbb{Q}}$ 係数の $0$ でない多項式の根にもならない。$\sum_{k=0}^{m}\beta_ke^k=0$($\beta_k\in\overline{\mathbb{Q}}$)は相異なる代数的数 $0,1,\dots,m$ を指数とする関係だからである。
  3. $1$ と $\sqrt2$ は $\mathbb{Q}$ 上線形独立なので($\sqrt2$ は無理数)、$e$ と $e^{\sqrt2}$ は $\mathbb{Q}$ 上代数的独立である(cor-lw-algebraic-independence)。したがって $e^{\sqrt2}$ は体 $\mathbb{Q}(e)$ 上でも超越的である。$e^{\sqrt2}$ が $\mathbb{Q}(e)$ 係数の $0$ でない多項式の根なら、係数の分母($e$ の $0$ でない有理数係数の多項式)を払うと、$0$ でない $F\in\mathbb{Q}[X,Y]$ で $F(e,e^{\sqrt2})=0$ となるものが得られるからである($e$ は超越数なので、$e$ の多項式として $0$ でない係数は $X$ の多項式としても $0$ でない)。

定理の 3 つの条件はどれも外せない。各行は 1 つの条件だけを破る。最後の行は代数的独立の形の条件である。

外す条件反例成り立たなくなること
$\alpha_i$ は相異なる$\alpha_1=\alpha_2=1$、$(\beta_1,\beta_2)=(1,-1)$$e-e=0$
$\alpha_i$ は代数的数$\alpha_1=\log2$、$\alpha_2=0$、$(\beta_1,\beta_2)=(1,-2)$$e^{\log2}-2e^0=0$
$\beta_i$ は代数的数$\alpha_1=1$、$\alpha_2=0$、$(\beta_1,\beta_2)=(1,-e)$$e-e\cdot e^0=0$
$\alpha_i$ は $\mathbb{Q}$ 上線形独立(cor-lw-algebraic-independence)$\alpha_1=1$、$\alpha_2=2$$F=X_1^2-X_2$ について $F(e,e^2)=0$
反例の確かめ

1 行目:指数と係数は代数的数で、係数は $0$ でないが、指数が等しい。同じ指数の項をまとめると係数は $1+(-1)=0$ になり、定理の仮定を満たす形には関係が残らない。
2 行目:$\log2$ は実数の $e^x=2$ の解であり、cor-lw-hermite-lindemann の後半により超越数である。指数 $\log2,0$ は相異なり、係数 $1,-2$ は代数的数である。破れるのは指数の代数性だけである。
3 行目:指数 $1,0$ は相異なる代数的数であり、係数 $-e$ は cor-lw-e-pi により超越数である。破れるのは係数の代数性だけである。
4 行目:$1,2$ は相異なる代数的数で、$2\cdot1-1\cdot2=0$ なので $\mathbb{Q}$ 上線形従属である。$e$ と $e^2$ はどちらも超越数であるが(cor-lw-hermite-lindemann)、$X_1^2-X_2$ という関係をもつ。一方、thm-lw-main は $e,e^2$ が $\overline{\mathbb{Q}}$ 上線形独立であることを保証しており、矛盾しない。2 次の関係は 1 次の関係ではないからである。

証明

Hermite の積分

Hermite の積分の公式と評価

$f(x)=\sum_{k=0}^{m}a_kx^k$ を複素数係数の多項式とし、$\bar f(x):=\sum_{k=0}^{m}\lvert a_k\rvert x^k$ とおく。複素数 $t$ に対し
$$ I_f(t):=t\int_0^1e^{t(1-\theta)}f(t\theta)\,d\theta $$
($0$ から $t$ への線分に沿った $\int e^{t-u}f(u)\,du$)と定める。このとき
$$ I_f(t)=e^t\sum_{j=0}^{m}f^{(j)}(0)-\sum_{j=0}^{m}f^{(j)}(t),\qquad\lvert I_f(t)\rvert\le\lvert t\rvert e^{\lvert t\rvert}\bar f(\lvert t\rvert) $$
が成り立つ。ここで $f^{(j)}$ は $f$ の $j$ 階の導関数(多項式としての微分)である。

$\Phi:=\sum_{j=0}^{m}f^{(j)}$ とおくと $f^{(m+1)}=0$ なので $\Phi-\Phi'=f$ である。$\theta$ の関数として
$$ \frac{d}{d\theta}\Bigl(-e^{t(1-\theta)}\Phi(t\theta)\Bigr)=te^{t(1-\theta)}\bigl(\Phi(t\theta)-\Phi'(t\theta)\bigr)=te^{t(1-\theta)}f(t\theta) $$
であり、$\theta=0$ から $1$ まで積分すると $I_f(t)=-\Phi(t)+e^t\Phi(0)$ を得る。評価は、$0\le\theta\le1$ で $\lvert e^{t(1-\theta)}\rvert\le e^{\lvert t\rvert}$、$\lvert f(t\theta)\rvert\le\bar f(\theta\lvert t\rvert)\le\bar f(\lvert t\rvert)$ であることから従う。$\square$

共役で閉じた関係への帰着

複素数の上の 辞書式順序 を、$z\succ w$ $\Leftrightarrow$「$\operatorname{Re}z>\operatorname{Re}w$、または $\operatorname{Re}z=\operatorname{Re}w$ かつ $\operatorname{Im}z>\operatorname{Im}w$」で定める。これは全順序であり、$z_k\succeq w_k$($k=1,\dots,h$)で少なくとも 1 つが $\succ$ なら $z_1+\dots+z_h\succ w_1+\dots+w_h$ である(実部・虚部の和をとればよい)。

共役で閉じた整数係数の関係

thm-lw-main が成り立たないとすると、次を満たす有限次 Galois 拡大 $L\subset\mathbb{C}$ と、空でない有限集合 $A\subset L$ と、整数 $b(\alpha)\neq0$($\alpha\in A$)が存在する。

  1. $G:=\mathrm{Gal}(L/\mathbb{Q})$ の各元 $\sigma$ について $\sigma(A)=A$ であり、$b(\sigma(\alpha))=b(\alpha)$ である。
  2. $\displaystyle\sum_{\alpha\in A}b(\alpha)e^{\alpha}=0$ である。

要点:まず係数の共役をすべて掛け合わせて係数を有理数にし、次に指数の共役をすべて掛け合わせて指数の集合を共役で閉じる。どちらの段でも、辞書式順序で最大の指数の項はただ 1 通りにしか現れないので、展開しても全部は打ち消し合わない。

詳しい証明を開く

段 1(係数を整数にする).相異なる代数的数 $\alpha_1,\dots,\alpha_n$ と $0$ でない代数的数 $\beta_1,\dots,\beta_n$ で $\sum_i\beta_ie^{\alpha_i}=0$ となるものがあるとする($0$ の係数の項は除いておく)。$\beta_i$ をすべて含む有限次 Galois 拡大 $L_1\subset\mathbb{C}$ をとり、$H:=\mathrm{Gal}(L_1/\mathbb{Q})$、$h:=\lvert H\rvert$ とする。$n$ 変数の多項式 $P(X):=\prod_{\sigma\in H}\bigl(\sum_i\sigma(\beta_i)X_i\bigr)$ の係数に $\tau\in H$ を作用させると因子が並べ替わるだけなので、$P$ の係数は固定体 $\mathbb{Q}$ に属する(Galois拡大)。因子 $\sigma=\mathrm{id}$ が $0$ になるので $P(e^{\alpha_1},\dots,e^{\alpha_n})=0$ である。$P=\sum_{\lvert k\rvert=h}a_kX^k$ と書くと $\sum_ka_ke^{k\cdot\alpha}=0$ であり、同じ値の $k\cdot\alpha$ をまとめると $\sum_{\gamma}c_\gamma e^\gamma=0$($c_\gamma:=\sum_{k\cdot\alpha=\gamma}a_k\in\mathbb{Q}$)を得る。$\alpha_{i_0}$ を $\alpha_1,\dots,\alpha_n$ の辞書式順序での最大元とすると、$\lvert k\rvert=h$ で $k$ が $(0,\dots,h,\dots,0)$($i_0$ 番目が $h$)でなければ、$k_i>0$ となる $i\neq i_0$ があるので $k\cdot\alpha\prec h\alpha_{i_0}$ である。よって $c_{h\alpha_{i_0}}=\prod_{\sigma\in H}\sigma(\beta_{i_0})\neq0$ である。分母を払い、$0$ の係数の項を除けば、相異なる代数的数 $\gamma_1,\dots,\gamma_r$ と $0$ でない整数 $c_1,\dots,c_r$ で $\sum_jc_je^{\gamma_j}=0$ となるものが得られる。

段 2(指数を共役で閉じる).$\gamma_j$ をすべて含む有限次 Galois 拡大 $L\subset\mathbb{C}$ をとり、$G:=\mathrm{Gal}(L/\mathbb{Q})$ とする。因子 $\sigma=\mathrm{id}$ が $0$ なので$$\prod_{\sigma\in G}\Bigl(\sum_{j=1}^{r}c_je^{\sigma(\gamma_j)}\Bigr)=0$$である。左辺を展開すると、写像 $\varphi\colon G\to\{1,\dots,r\}$ にわたる和 $\sum_\varphi c_\varphi e^{s(\varphi)}$ になる。ここで $c_\varphi:=\prod_\sigma c_{\varphi(\sigma)}$、$s(\varphi):=\sum_\sigma\sigma(\gamma_{\varphi(\sigma)})\in L$ である。$s(\varphi)$ のとる値全体を $A_0$、$\alpha\in A_0$ について $b(\alpha):=\sum_{s(\varphi)=\alpha}c_\varphi\in\mathbb{Z}$ とおくと $\sum_{\alpha\in A_0}b(\alpha)e^\alpha=0$ である。$\tau\in G$ について $\varphi^\tau(\rho):=\varphi(\tau^{-1}\rho)$ とおくと、$\varphi\mapsto\varphi^\tau$ は全単射で、$s(\varphi^\tau)=\sum_\rho\rho(\gamma_{\varphi(\tau^{-1}\rho)})=\sum_\sigma\tau\sigma(\gamma_{\varphi(\sigma)})=\tau(s(\varphi))$、$c_{\varphi^\tau}=c_\varphi$ である。よって $\tau(A_0)=A_0$、$b(\tau(\alpha))=b(\alpha)$ である。各 $\sigma$ について $\sigma(\gamma_1),\dots,\sigma(\gamma_r)$ は相異なるので、その辞書式順序での最大元を $\sigma(\gamma_{j(\sigma)})$ とすると、$\varphi\neq j$ なら $s(\varphi)\prec s(j)$ であり、$b(s(j))=\prod_\sigma c_{j(\sigma)}\neq0$ である。$A:=\{\alpha\in A_0\mid b(\alpha)\neq0\}$ は空でなく、$b$ が $G$ の作用で不変なので $\sigma(A)=A$ を満たし、$\sum_{\alpha\in A}b(\alpha)e^\alpha=0$ である。$\square$

主定理の証明

lem-lw-reduction の $L$、$G$、$A$、$b$ が存在すると仮定して矛盾を導く。$A=\{\alpha_1,\dots,\alpha_n\}$、$b_k:=b(\alpha_k)$ と書くと
$$ \sum_{k=1}^{n}b_ke^{\alpha_k}=0 $$
である。各 $\sigma\in G$ は $A$ の置換 $\pi_\sigma$ を $\sigma(\alpha_k)=\alpha_{\pi_\sigma(k)}$ で定め、$b_{\pi_\sigma(k)}=b_k$ である。正の整数 $l$ で、すべての $l\alpha_k$ が代数的整数になるものをとる(代数的整数 の命題「代数的数の整数倍」)。素数 $p$ に対し、次数 $np-1$ の多項式
$$ f_i(x):=l^{np}\frac{(x-\alpha_1)^p(x-\alpha_2)^p\cdots(x-\alpha_n)^p}{x-\alpha_i}\qquad(i=1,\dots,n) $$
と、lem-lw-hermite-integral の $I_{f_i}$ による数 $J_i:=\sum_{k=1}^{n}b_kI_{f_i}(\alpha_k)$ を考える。
段 1($J_i$ を有限和で表す).lem-lw-hermite-integral の公式に $t=\alpha_k$ を代入して $b_k$ を掛けて加えると、$e^{\alpha_k}$ の項は $\bigl(\sum_jf_i^{(j)}(0)\bigr)\sum_kb_ke^{\alpha_k}=0$ となって消え、
$$ J_i=-\sum_{k=1}^{n}\sum_{j=0}^{np-1}b_kf_i^{(j)}(\alpha_k) $$
となる。
段 2($p$ による割り算).$f_i$ は $\alpha_k$($k\neq i$)で位数 $p$、$\alpha_i$ で位数 $p-1$ の零点をもつので、$j< p$ かつ $k\neq i$、または $j< p-1$ かつ $k=i$ のとき $f_i^{(j)}(\alpha_k)=0$ である。$j\ge p$ のとき $f_i^{(j)}(\alpha_k)$ は $p!$ と代数的整数の積であり、
$$ f_i^{(p-1)}(\alpha_i)=(p-1)!\,l^{np}\prod_{k\neq i}(\alpha_i-\alpha_k)^p $$
である。よって代数的整数 $\theta_i$ を用いて
$$ J_i=(p-1)!\Bigl(-b_i\,l^{np}\prod_{k\neq i}(\alpha_i-\alpha_k)^p+p\,\theta_i\Bigr) $$
と書ける。

詳細

$y:=x-\alpha_k$ とおくと $f_i(x)=l^{np}\prod_{m=1}^{n}(y+\alpha_k-\alpha_m)^{e_m}$($e_m=p$、ただし $e_i=p-1$)であり、$f_i^{(j)}(\alpha_k)/j!$ はこの式の $y^j$ の係数である。$m=k$ の因子は $y^{e_k}$ なので、$j< e_k$ なら係数は $0$ である。$y^j$ の係数は $l^{np}$ と「$\alpha_k-\alpha_m$ の形の数 $np-1-j$ 個の積」の和との積であり、$l^{np}=l^{1+j}\cdot l^{np-1-j}$ と分けると、$l^{1+j}$ と代数的整数 $l\alpha_k-l\alpha_m$ たちの積の和になるので代数的整数である(代数的整数 の定理「代数的整数全体のなす環」)。$j\ge p$ なら $j!$ は $p!$ で割り切れる。$k=i$、$j=p-1$ の係数は $l^{np}\prod_{m\neq i}(\alpha_i-\alpha_m)^p$ である。


段 3($J:=J_1J_2\cdots J_n$ は $p$ で割り切れない整数と $((p-1)!)^n$ の積).$\sigma\in G$ を $f_i$ の係数に作用させると $\sigma(f_i)=f_{\pi_\sigma(i)}$ であり、微分と代入は $\sigma$ と可換なので、$b_{\pi_\sigma(k)}=b_k$ を使うと
$$ \sigma(J_i)=-\sum_{k}\sum_jb_kf_{\pi_\sigma(i)}^{(j)}(\alpha_{\pi_\sigma(k)})=-\sum_{k}\sum_jb_{\pi_\sigma(k)}f_{\pi_\sigma(i)}^{(j)}(\alpha_{\pi_\sigma(k)})=J_{\pi_\sigma(i)} $$
となる。よって $\sigma(J)=J$ であり、$J$ は固定体 $\mathbb{Q}$ に属する。段 2 の式を掛け合わせると、代数的整数 $\theta$ を用いて
$$ \frac{J}{((p-1)!)^n}=(-1)^nb_1\cdots b_n\,l^{np}D^p+p\,\theta,\qquad D:=\prod_{i\neq k}(l\alpha_i-l\alpha_k) $$
となる($l^{n^2p}=l^{np}\cdot l^{n(n-1)p}$)。$D$ は順序対 $(i,k)$ の並べ替えで不変なので $\sigma(D)=D$ であり、$\mathbb{Q}$ に属する代数的整数なので整数である(代数的整数 の命題「有理数である代数的整数は整数」)。$\alpha_k$ が相異なるので $D\neq0$ である。左辺は有理数で右辺は代数的整数なので、左辺は整数であり、$p\theta$ も整数、$\theta$ は有理数である代数的整数なので整数である。$p>\max(l,\lvert D\rvert,\lvert b_1\rvert,\dots,\lvert b_n\rvert)$ ととれば、右辺の第 1 項は $p$ で割り切れないので、$J/((p-1)!)^n$ は $p$ で割り切れない整数、とくに $0$ でない。したがって
$$ \lvert J\rvert\ge((p-1)!)^n $$
である。
段 4(上からの評価).$c:=\max_k\lvert\alpha_k\rvert$ とおく。$\bar f_i$ の係数は $l^{np}(x+\lvert\alpha_i\rvert)^{p-1}\prod_{k\neq i}(x+\lvert\alpha_k\rvert)^p$ の係数以下なので(積の係数の三角不等式)、$0\le x\le c$ で $\bar f_i(x)\le l^{np}(2c)^{np-1}$ である。lem-lw-hermite-integral の評価により
$$ \lvert J_i\rvert\le\sum_{k}\lvert b_k\rvert\,c\,e^{c}\,l^{np}(2c)^{np-1}\le C^{p} $$
となる定数 $C\ge1$ が $p$ によらずにとれる。よって $\lvert J\rvert\le C^{np}$ である。
段 3 と段 4 から $((p-1)!)^n\le C^{np}$、すなわち $(p-1)!\le C^p$ がすべての十分大きな素数 $p$ について成り立つことになる。しかし $C^p/(p-1)!\to0$($p\to\infty$)なので、これは矛盾である。$\square$

補足

  • Schanuel 予想との関係:$\mathbb{Q}$ 上線形独立な複素数 $z_1,\dots,z_n$ について、$2n$ 個の数 $z_1,\dots,z_n,e^{z_1},\dots,e^{z_n}$ が生成する体の $\mathbb{Q}$ 上の超越次数は $n$ 以上であろう、という予想を Schanuel 予想という(Lan02 Appendix 1, p. 873)。$z_i$ がすべて代数的数の場合、これは $e^{z_1},\dots,e^{z_n}$ が代数的独立であることと同じであり、cor-lw-algebraic-independence がそれを証明している。$z_1=1$、$z_2=2\pi i$ とすると、Schanuel 予想からは $e$ と $\pi$ の代数的独立性が導かれる(同書 p. 873)。
  • 指数が代数的でない場合:$2^{\sqrt2}=e^{\sqrt2\log2}$ の指数 $\sqrt2\log2$ は超越数なので、この定理は使えない。この種の値は Gelfond–Schneiderの定理 が扱う。
  • 近似による方法との違い:Liouville 数の超越性(超越数 の定理「Liouville の近似定理」)や Thue–Siegel–Rothの定理 は、有理数による近似の精度で超越性や近似の限界を示す。この記事の証明は近似の精度を使わず、指数関数の微分方程式 $(e^x)'=e^x$ が積分の公式(lem-lw-hermite-integral)を通して効いている。
  • 文献:$e$ と $\pi$ の場合は HW60 Theorem 204・205(pp. 172–176)に同じ型の証明がある。一般形の主張は HW60 p. 176、代数的独立の形の主張は Lan02 Appendix 1, p. 872 にある。Lan02 Appendix 1 の Corollary 1(p. 867)は Hermite–Lindemann の定理を別の方法(Gelfond–Schneiderの定理 と同じ補助関数の方法)で示している。

関連項目

参考文献

[1]
G. H. Hardy and E. M. Wright, An Introduction to the Theory of Numbers, 4th ed., Oxford, Clarendon Press, 1960, §11.13–11.14、Theorem 204($e$ の超越性、pp. 172–173)、Theorem 205($\pi$ の超越性、pp. 173–176)、p. 176(線形独立の形の主張)
[2]
Serge Lang, Algebra, Revised 3rd ed.(Graduate Texts in Mathematics 211), Springer, 2002, Appendix 1、Corollary 1(Hermite–Lindemann、p. 867)、p. 872(代数的独立の形の主張)、p. 873(Schanuel の予想)

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