Het getal e

Het product 1.2.3.4….n wordt genoteerd door n! en noemt men n faculteit. De grootte van de faculteiten neemt zeer snel toe:
1!=1
2!=2
3!=6
4!=24
5!=120
6!=720
7!=5040
8!=40320
9!=362880
10!=3628800

Even snel nemen dus de waarden van de termen in de volgende som af:

    \[a_n=1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\frac{1}{4!}+\cdots +\frac{1}{n!}\]

We kunnen verwachten dat, naarmate n groter wordt, de waarde van a_n zeer weinig zal toenemen en een bepaald getal niet zal overschrijden. We kunnen aantonen dat a_n kleiner blijft dan 3.

Als we in k! elke factor, behalve de eerste, vervangen door 2, dan zien we duidelijk dat  k!> 2^{k-1}. Bijgevolg is a_n kleiner dan 1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^3}+\cdots+\frac{1}{2^{n-1}}. Vanaf de tweede term herken je hierin de som van de termen van een meetkundige rij.De limiet hiervan is \frac{1}{1-0,5}=2. Hieruit volgt dat , voor toenemende n waarden, a_n zeker kleiner is dan 1+2=3.

De getallen a_n zijn termen van een naar boven begrensde , stijgende rij en dus zal die rij convergeren. Die limiet noemen we het getal e. Met a_{12} te berekenen vindt we dat e\approx 2,7182818.

 


Het was de Schotse wiskundige John Napier die het eerst met dit getal geconfronteerd werd, toen hij werkte aan de eerste rekenlinialen.

Het getal werd door Euler het exponentiële getal genoemd. Vandaar ook, waarschijnlijk, de letter e voor dit getal. Het was ook Euler die de meeste eigenschappen van dit getal vond.

7 bruggen van Koningsbergen

De grote wis- en natuurkundige Leonhard Euler (1707-1783) publiceerde
in 1736 het zogenaamde Koningsberger bruggenprobleem. De stad Koningsbergen, die sinds 1945 Kaliningrad heet, ligt aan de oevers van en op twee eilanden in de rivier de Pregel. De oevers en de eilanden waren in Eulers tijd verbonden door zeven bruggen. De Koningsbergers waren gewend ’s zondags een lange wandeling door de stad te maken en Euler vroeg zich nu af of hij  een wandeling  zou kunnen ontwerpen, waarbij elk der bruggen juist eenmaal zou gepasserd worden.

We vereenvoudigen de plattegrond van Koningsbergen door elk der vier stadsdelen A, B, C en D door een punt voor te stellen en elk der zeven bruggen door een lijn. Een dergelijke figuur noemt men een graaf.  De  graaf in ons probleem heeft vier hoekpunten en zeven kanten. We kunnen het bruggenprobleem nu zo formuleren: Is het mogelijk de graaf zo te doorlopen, dat daarbij elk der kanten slechts éénmaal gepasseerd wordt? Beginnen we bijv. bij het hoekpunt A, dan moet daar een ,,uitgaande kant”, maar ook een ,,inkomende kant” zijn. Telkens als we via een der kanten in een hoekpunt aankomen, moet daar weer behalve de ,,inkomende” ook een ,,uitgaande kant” zijn. Hieruit blijkt, dat als we de graaf zo willen doorlopen, dat we elk der kanten slechts eenmaal gebruiken, er bij elk hoekpunt een even aantal kanten moeten samenkomen. Aangezien dat niet het geval is, is het onmogelijk een wandeling door Koningsbergen te organiseren, waarbij elk der bruggen slechts éénmaal doorlopen wordt.

De ongelijkheid van Euler

Eén van de oudste ongelijkheden in een driehoek is de ongelijkheid van Euler die een verband geeft tussen de stralen van de omgeschreven en ingeschreven cirkel.

Als O het middelpunt is van de omgeschreven cirkel ( met straal R) van driehoek ABC en I het middelpunt van de ingeschreven cirkel (met straal r), noteer dan d=|OI|. Dan geldt er:

    \[d^2=R^2-2Rr\]

Hieruit volgt dan dat

    \[R\geq 2r\]

Het gelijkheidsteken geldt enkel als de driehoek gelijkzijdig is.

Fermat priemgetallen en regelmatige veelhoeken

De Franse wiskundige Pierre de Fermat( 1601-1665) dacht dat alle getallen van de vorm 2^{2^n} priemgetallen waren. En voor de eerste 5 waarden van n was dat ook zo:

\begin{array}{c|c} n& 2^{2^n} \\ \hline\\ 0 &3\\1&5\\2&17\\3&257\\4&65.537\end{array}

Later ontdekte Leonard Euler( 1707-1783) in 1732 dat het Fermat getal voor n = 5 ontbonden kon worden als  4.294.967.297 = 641 x 6.700.417. En hier zou het verhaal dan stoppen, ware er niet de geniale ontdekking van Carl Friedrich Gauss(1777-1855).

In 1794 vond Gauss dat een regelmatige veelhoek met p zijden (met p een priemgetal ) construeerbaar is met passer en liniaal als en slechts als p een Fermat priemgetal is, dus een priemgetal van de vorm 2^{2^n}. Als eerbetoon werd in Brauschweig, de thuisstad van Gauss,  een bronzen standbeeld opgericht waar hij staat op een regelmatige zeventien hoek.

Welke regelmatige veelhoeken zijn dan construeerbaar met passer en liniaal? Volgens Gauss’ resultaat zijn dat de gelijkzijdige driehoek, de regelmatige 5-hoek, de regelmatige 17-hoek, de regelmatige 257-hoek en de  regelmatige 65.537-hoek. We weten dat ook de regelmatige veelhoeken met 7,11,13,19,… zijden niet construeerbaar zijn omdat het wel priemen zijn, maar geen Fermat priemen. Verder zijn ook regelmatige veelhoeken met 4,8,16,32,.. en 6,12,24,48,… zijden construeerbaar omdat we met passer en liniaal een hoek in twee kunnen verdelen. En wat met de anderen? Is een regelmatige 15 hoek construeerbaar?  Het blijkt van wel, omdat \frac{1}{15}=\frac{2}{5}-\frac{1}{3} en dus kunnen we een cirkel in 15 gelijke delen verdelen.

Het was uiteindelijk Pierre Wantzel die in 1837 volgend algemeen reultaat bewees: Een regelmatige n-hoek is construeerbaar met passer en liniaal als en slechts als n het product is van een macht van 2 en een willekeurig aantal verschillende Fermat priemgetallen.

De kleine stelling van Fermat

Als p een priemgetal is en a en p onderling ondeelbaar zijn dan geldt:

    \[a^{p-1} \equiv 1 \text{ mod } p\]

Uit deze stelling, die de kleine stelling van Fermat genoemd wordt en in 1640 een eerste keer vermeld werd, volgt dat voor elke a en voor een priemgetal p geldt dat

    \[a^p \equiv a \text { mod } p\]

De stelling wordt bijvoorbeeld gebruikt om de restklasse modulo een groot getal uit te rekenen. Bereken bijvoorbeeld de rest bij deling van 2^{245} door 11. Volgens de kleine stelling van Fermat is 2^{10} \equiv 1 \text{ mod } 11, dus is 2^{245} \equiv (2^{10})^24.2^5 \equiv 2^5 \equiv 10 \text{ mod } 11.

Er bestaat een veralgemening voor de stelling, die zegt dat als a en m onderling ondeelbaar zijn, geldt

    \[a^{\varphi(m)} \equiv 1 \text { mod }m\]

Hierbij is \varphi(m) de totiënt functie van Euler die het aantal getallen, kleiner dan m, berekent die onderling ondeelbaar zijn met m. Deze stelling wordt de Euler-Fermat stelling genoemd.