מספר ליוביל

בערך זה
נעשה שימוש
בסימנים מוסכמים
מתחום המתמטיקה.
להבהרת הסימנים
ראו סימון מתמטי.

מספר ליוביל הוא מספר ממשי שניתן לקרב אותו דיופנטית מכל סדר שהוא. פורמלית, $\ x$ מספר ליוביל אם לכל $n$ טבעי קיימים $p$ ו- $q>1$ שלמים כך שמתקיים:

\ 0<\left|x-{\frac {p}{q}}\right|<{\frac {1}{q^{n}}}

מספרי ליוביל נקראים על שמו של ז'וזף ליוביל שהוכיח ב-1844 את משפט ליוביל שממנו נובע כי הם מספרים טרנסצנדנטיים. מספרי ליוביל היו המספרים הטרנסצנדנטיים הראשונים שנתגלו.

קבוע ליוביל

הדוגמה המוכרת ביותר למספר ליוביל היא קבוע ליוביל שהוגדר על ידי ליוביל ב-1851:

\ c=\sum _{j=1}^{\infty }10^{-j!}=0.110001000000000000000001000\ldots

הספרה 1 מופיעה בפיתוח העשרוני של המספר במקום ה- $\ j!$ לאחר הנקודה העשרונית לכל $j$ טבעי (ראו עצרת) ובכל מקום אחר מופיעה הספרה 0.

נגדיר סדרות:

\ p_{n}=\sum _{j=1}^{n}10^{n!-j!};\quad q_{n}=10^{n!}

לכל n טבעי מתקיים:

\left|c-{\frac {p_{n}}{q_{n}}}\right|=\sum _{j=1}^{\infty }10^{-j!}-\sum _{j=1}^{n}10^{-j!}=\sum _{j=n+1}^{\infty }10^{-j!}=10^{-(n+1)!}+10^{-(n+2)!}+{}\cdots <10\cdot 10^{-(n+1)!}\leq {\Big (}10^{-n!}{\Big )}^{n}={\frac {1}{{q_{n}}^{n}}}

בזכות משפט ליוביל, קבוע ליוביל היה לדוגמה הראשונה המוכרת למספר טרנסצנדנטי.

תכונות

קל לראות שכל מספר ליוביל הוא אי-רציונלי: נניח בשלילה כי $\ {\frac {a}{b}}$ מספר ליוביל רציונלי. נבחר $n$ גדול מספיק, כך ש- $\ 2^{n-1}>b$ , ואז לכל $\ {\frac {p}{q}}\neq {\frac {a}{b}}$ ו- $\ q\geq 2$ מתקיים: $\ \left|{\frac {a}{b}}-{\frac {p}{q}}\right|=\left|{\frac {aq-bp}{bq}}\right|\geq {\frac {1}{bq}}>{\frac {1}{2^{n-1}q}}\geq {\frac {1}{q^{n}}}$ , בסתירה להגדרה.

לפי משפט ליוביל כל מספר אלגברי אי-רציונלי אינו ניתן לקירוב דיופנטי מסדר הגדול מהדרגה שלו (מעלת הפולינום המינימלי שלו). מכיוון שמספרי ליוביל אי-רציונליים וניתנים לקירוב מכל סדר הם בהכרח טרנסצנדנטיים.

עוצמה ומידה

נוכל להחליף את המופעים של הספרה 1 בקבוע ליוביל בכל סדרת ספרות שנחפץ, והמספר עדיין יישאר מספר ליוביל. מכאן שעוצמת קבוצת מספרי ליוביל היא כעוצמת קבוצת הסדרות, שהיא עוצמת הרצף. כלומר יש "הרבה יותר" מספרי ליוביל מאשר מספרים אלגבריים (שהם בני-מנייה).

לעומת זאת, קבוצת ליוביל היא קבוצה ממידה אפס והיא זניחה ביחס לקבוצת המספרים הטרנסצנדנטיים (שהמשלים שלה ממידה אפס). במילים אחרות, כמעט כל המספרים הטרנסצנדנטיים אינם מספרי ליוביל. ההוכחה לכך קצרה:

לכל $\ 2\leq q$ ו- $\ 2<n$ נגדיר איחוד של קטעים פתוחים:

\ V_{n,q}=\bigcup \limits _{p=-\infty }^{\infty }\left({\frac {p}{q}}-{\frac {1}{q^{n}}},{\frac {p}{q}}+{\frac {1}{q^{n}}}\right)

נסמן $\ L$ את קבוצת מספרי ליוביל. כל מספר ליוביל נמצא ב- $\ V_{n,q}$ ל- $\ q$ מסוים ולכל $\ n$ . כלומר, לכל $n$ : $\ L\subseteq \bigcup \limits _{q=2}^{\infty }V_{n,q}$ . לכן לכל טבעי $m$ :

\ L\cap (-m,m)\subseteq \bigcup \limits _{q=2}^{\infty }V_{n,q}\cap (-m,m)\subseteq \bigcup \limits _{q=2}^{\infty }\bigcup \limits _{p=-mq}^{mq}\left({\frac {p}{q}}-{\frac {1}{q^{n}}},{\frac {p}{q}}+{\frac {1}{q^{n}}}\right)

אורך הקטעים הוא: $\ \left|\left({\frac {p}{q}}+{\frac {1}{q^{n}}}\right)-\left({\frac {p}{q}}-{\frac {1}{q^{n}}}\right)\right|={\frac {2}{q^{n}}}$ ולכן: