经典证明:几乎所有有理数都是无理数的无理数次方

    一个无理数的无理数次方是否有可能是一个有理数?这是一个非常经典的老问题了。答案是肯定的,证明方法非常巧妙:考虑根号 2 的根号 2 次方。如果这个数是有理数,问题就已经解决了。如果这个数是无理数,那么就有:

      

    我们同样会得到一个无理数的无理数次方是有理数的例子。

    这是一个典型的非构造性证明的例子:我们证明了无理数的无理数次方有可能等于有理数,但却并没有给出一个确凿的例子。毕竟我们也不知道,真实情况究竟是上述推理中的哪一种。那么,真实情况究竟是上述推理中的哪一种呢? Gelfond-Schneider 定理告诉我们,假设 α 和 β 都是代数数,如果 α 不等于 0 和 1 ,并且 β 不是有理数,那么 α 的 β 次方一定是超越数。根据这一定理我们可以立即看出,根号 2 的根号 2 次方真的是一个无理数,实际情况应该是上述推理中的后者。

    那么,是否存在一个无理数 a ,使得 a 的 a 次方是有理数呢?最近, Stan Dolan 证明了这样一个结论:事实上,几乎所有 (1, ∞) 里的有理数都是某个无理数 a 的 a 次方。

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趣题:把矩形分割为面积相同但形状各不相同的小矩形

    Using your Head is Permitted 数学谜题站的主持人 Michael Brand 某日收到了来自 R. Nandakumar 的一个谜题:是否有可能把一个矩形剖分成若干个小矩形,使得每个小矩形的形状互不相同,但它们的面积都一样?没有想到,从这个问题出发,加上一些非常机智巧妙的分析与构造,我们能得到越来越多有意思的东西。于是,它就变成了 Using your Head is Permitted 今年 3 月的谜题。看了谜题的答案后,我也被彻底折服,决定把这一系列的思考重述在此,和大家一同分享。为了简便起见,下面的“矩形剖分方案”一律指的是把一个大矩形分割成若干个小矩形的方案。

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趣题:八根并排放置的水管

    下面这个有趣的问题来自于 2012 年 4 月的 IBM Ponder This 谜题

    有 8 根很长的并且颜色不同的水管并排放在一起, A 、 B 两人分别位于这些水管的两端。两个人手中各有若干根很短的橡皮管,他们可以用这些橡皮管任意连接自己这一侧的水管口。 A 的旁边还有一个水龙头, A 可以用橡皮管把水龙头与自己这一侧的其中一个水管口相连。

    A 、 B 两人各将获得一个五位 01 串,然后两人可以根据自己手中的 01 串来连接水管口。当 A 打开水龙头后,容易看出,水必然会从其中一侧流出。两人需要保证,如果两人手中的 01 串相等,则水从 A 的一侧流出,否则水从 B 的一侧流出。他们事先可以商量一个策略,但游戏一旦开始,两人一旦拿到各自的 01 串之后,就不允许再交流了(因此两人都不知道对方手中的 01 串是什么)。请你想出一个能保证两人获胜的策略。

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正多边形的滚动与旋轮线下方的面积

    想像一个圆盘在地面上滚动一周,那么圆周上一点所形成的轨迹就叫做旋轮线(或者摆线)。旋轮线下方的面积是多少,这是一个非常有趣的问题。据说, Galileo 曾经用一种非常流氓的方法,推测出了旋轮线下方的面积。他在金属板上切出一块圆片,再在金属板边缘剪下这个圆形所对应的旋轮线,把它们拿到秤上一称,发现后者的重量正好是前者的三倍。于是,他推测,半径为 r 的滚轮所产生的旋轮线,其下方的面积就是 3πr2

    

    不过,今天我第一次知道,这个结论对于正多边形是同样成立的。

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