La dimostrazione di Hilbert
Supponiamo per assurdo che
sia un numero algebrico e cioè che esista un insieme finito di coefficienti razionali non nulli
che soddisfano l'equazione
![{\displaystyle c_{0}+c_{1}{\text{e))+c_{2}{\text{e))^{2}+\cdots +c_{n}{\text{e))^{n}=0.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c7ebcac93abeb8e47f40bab1c3b588d87a2c2baf)
A meno di moltiplicare per il denominatore comune dei coefficienti, non è restrittivo supporre che tali coefficienti siano interi. Si può inoltre supporre che
sia il minimo intero per cui esistano dei tali coefficienti.
Per ogni coppia di interi
e
, siano
e
le funzioni definite da
![{\displaystyle G(k,l):=\int _{l}^{+\infty }x^{k}[(x-1)(x-2)\cdots (x-n)]^{k+1}{\text{e))^{-x}\,{\text{d))x,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/506a65b6a14dbee8370df3d54943314208f42c1e)
![{\displaystyle H(k,l):=\int _{0}^{l}x^{k}[(x-1)(x-2)\cdots (x-n)]^{k+1}{\text{e))^{-x}\,{\text{d))x.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a1beb89456954debcae2c138379bed3b1377fe92)
Per ogni
consideriamo l'equazione ottenuta moltiplicando per
ambo i membri dell'equazione
![{\displaystyle c_{0}+c_{1}{\text{e))+c_{2}{\text{e))^{2}+\cdots +c_{n}{\text{e))^{n}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dd6e72247d8ad1b254a55f8e98ec0fe8f5e6b2d7)
in modo da ottenere
![{\displaystyle G(k,0)(c_{0}+c_{1}{\text{e))+c_{2}{\text{e))^{2}+\cdots +c_{n}{\text{e))^{n})=0.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f1e8a858ec2d09522868aaaaf25ef1f4600d2e3d)
Dalla definizione di
e
discende che
per ogni coppia di interi
,
e dunque l'equazione precedente può anche essere scritta nella forma
![{\displaystyle P_{1}(k)+P_{2}(k)=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70f490f4f34133d524c83361d44f1a7da5475cbf)
dove
![{\displaystyle P_{1}(k)=c_{0}G(k,0)+c_{1}{\text{e))G(k,1)+c_{2}{\text{e))^{2}G(k,2)+\cdots +c_{n}{\text{e))^{n}G(k,n)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/18ca29394ccd15e935dacb88dfcb0462c20a5c2e)
![{\displaystyle P_{2}(k)=c_{1}{\text{e))H(k,1)+c_{2}{\text{e))^{2}H(k,2)+\cdots +c_{n}{\text{e))^{n}H(k,n).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/772434480348a451bc8c824de3a6f010e25d0ec5)
Per completare la dimostrazione basta dunque mostrare che per
sufficientemente grande
![{\displaystyle {\frac {P_{1}(k)}{k!))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bdb35ad6f1f4a82f3aa03dcc26622d2421e57bb9)
è un intero non-nullo mentre
![{\displaystyle {\frac {P_{2}(k)}{k!))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e40329e7259095bc5296f6bf942178ae015bc9cc)
non è intero, in quanto tali fatti sono in contraddizione con l'equazione
![{\displaystyle P_{1}(k)+P_{2}(k)=0.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/844489ab5e479ac55122373dd192aa75d13562d7)
Il fatto che il primo numero sia un intero risulta dall'identità
![{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }x^{j}{\text{e))^{-x}\,{\text{d))x=j!}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ce36750823d3746df06be9b283c65922c273aaa6)
che è valida per ogni intero positivo
e può essere dimostrata per induzione usando l'integrazione per parti.
Per mostrare che per
sufficientemente grande il secondo numero non è intero, è sufficiente provare che
si ha
![{\displaystyle 0<\left|{\frac {P_{2}(k)}{k!))\right|<1.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/594a110149cc9b742b54b6f92cb36ae930c4b4e1)
A questo scopo, notiamo dapprima che
![{\displaystyle x^{k}[(x-1)(x-2)\cdots (x-n)]^{k+1}{\text{e))^{-x))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/932970d135f1f35b7ba0d5b5ec8a04ace22ecccb)
è il prodotto delle funzioni
e![{\displaystyle \quad (x-1)(x-2)\cdots (x-n){\text{e))^{-x}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/499e5a7c73943671c25078976dd12a40c02a69ca)
Osserviamo poi che, se denotiamo rispettivamente con
e
i massimi di
![{\displaystyle |x(x-1)(x-2)\cdots (x-n)|,\quad |(x-1)(x-2)\cdots (x-n){\text{e))^{-x}|}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/42283a72adac97c623f3b187230ef764b9c12f04)
sull'intervallo
, si ha
![{\displaystyle |P_{2}(k)|\leq |c_{1}|{\text{e))SR^{k}+|c_{2}|2{\text{e))^{2}SR^{k}+\cdots +|c_{n}|n{\text{e))^{n}SR^{k}\leq TR^{k))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/db9d1691281cfdaf6589c9de1bc4dd77f1d325f7)
per un'opportuna costante
. Di conseguenza
![{\displaystyle \lim _{k\to +\infty }\left|{\frac {P_{2}(k)}{k!))\right|\leq \lim _{k\to +\infty }{\frac {TR^{k)){k!))=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/532b13663ab420a58e0af4b5348dab47ef9dbd62)
e dunque
![{\displaystyle \lim _{k\to +\infty }{\frac {P_{2}(k)}{k!))=0.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/214b41d6c1550f14264a46785cc76381be924dbc)
Quindi, per la definizione di limite,
risulta
![{\displaystyle \left|{\frac {P_{2}(k)}{k!))\right|<1.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e9542117230cd16c5a46320335afb1156fc61b1)
Per concludere la dimostrazione basta quindi mostrare che questo numero è diverso da zero, e ciò segue dalla minimalità di
in quanto
risulta
.
Una strategia simile, differente dall'approccio originale di Lindemann, può essere usata per mostrare che π è trascendente.