Ist der ln(x) immer irrational, wenn x ∈ Q, x!= 1 ist?

4 Antworten

Von Experte MagicalGrill bestätigt

Ja.

Ich würde das folgendermaßen zeigen...

Angenommen ln(x) wäre rational für eine Zahl x ∈ ℚ mit x ≠ 1 [und x > 0, damit ln(x) reellwertig definiert ist]. Dann gäbe es ganze Zahlen a, b mit ln(x) = a/b. Wegen ln(x) ≠ 0 für x ≠ 1 ist a ≠ 0. O.B.d.A. kann a > 0 angenommen werden (indem man das Vorzeichen von b passend wählt).

Dann wäre e^(a/b) = x. Dann wäre e^a = x^b. Dann wäre e^a - x^b = 0.

Da x eine rationale Zahl ist und b eine ganze wäre, wäre dann x^b auch eine rationale Zahl. Damit wäre dann z^a - x^b ein nicht-konstantes Polynom bzgl. der Variablen z mit rationalen Koeffizienten. Und e wäre eine Nullstelle dieses Polynoms.

Dementsprechend wäre e eine algebraische Zahl. Das wäre jedoch im Widerspruch dazu, dass die eulersche Zahl e eine transzendente Zahl ist. [Siehe auch: https://de.wikibooks.org/wiki/Beweisarchiv:_Algebra:_Körper:_Transzendenz_von_e_und_π]

Die Annahme [ln(x) wäre unter den Bedingungen rational] ist demnach falsch.

Ergebnis: ln(x) ist für alle x ∈ ℚ mit x ≠ 1 [und x > 0] irrational.

NeilderMensch 
Fragesteller
 06.02.2023, 22:03

Danke! Genau so habe ich das auch gerade bewiesen! Der Beweis ist mir nur kurz danach gekommen.

Vielen Dank!

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Da die Funktion y = f(x) = ln(x) alle Werte von 0 < y < unendlich annimmt müssen auch rationale und ganze Zahlen in der Menge der y-Werte enthalten sein.

Ergänzung: Ich habe die Bedingung x ∈ Q überlesen. (Hinweis von Hildebrunn21)

Woher ich das weiß:Berufserfahrung – Lehrer u. Fachbetreuer für Mathematik und Physik i.R.
MagicalGrill  06.02.2023, 21:45

Diese Stetigkeitsfolgerung gilt zwar über den reellen Zahlen, aber das heißt ja noch nicht dass es auch rationale x gibt, sodass f(x) rational ist.

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MagicalGrill  06.02.2023, 21:47
@Littlethought
Das war auch nicht die Fragestellung.
Ist der ln(x) immer irrational, wenn x ∈ Q, x!= 1 ist?

Doch?

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Es gilt dass e^q irrational ist, für jedes rationale q≠0.

More generally, e^q is irrational for any non-zero rational q.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Proof_that_e_is_irrational

Wenn also p=ln(q) rational wäre, für ein q≠1, würde daraus e^p=q gelten.

Das ist ein Widerspruch, da dann e^q rational ist, was aber nicht sein kann.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Mache derzeit meinen Mathematik Master
Littlethought  06.02.2023, 22:14

Jetzt bist du mir mal wieder zuvorgekommen.

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Ja, du hast Recht. Der natürliche Logarithmus von x ist fast immer irrational, wenn x nicht 1 ist. Das liegt daran, dass der natürliche Logarithmus die Umkehrfunktion der exponentiellen Funktion ist. Da e selbst irrational ist, ist es unwahrscheinlich, dass eine potenzierte Form von e eine rationale Zahl ist, es sei denn, die Potenz ist 0, was zu 1 führt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass ln(x) eine rationale Zahl ist, wenn x nicht 1 ist.

Ein weiteres Beispiel ist die Funktion ln(a^b) = b*ln(a). Hier ist a irgendeine rationale Zahl ungleich 0 und b irgendeine reelle Zahl. Da ln(a) irrational sein kann, selbst wenn a eine rationale Zahl ist, ist es wahrscheinlich, dass b * ln(a) irrational ist.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung
NeilderMensch 
Fragesteller
 06.02.2023, 21:41

Danke!

Und wie ist es, wenn x = -1 ist? Ist Pi*i auch eine Art "irrationale" Zahl?

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Hildebrunn21  06.02.2023, 21:47
@NeilderMensch

Wenn x = -1, dann ist ln(-1) eine reelle Zahl, die jedoch keine rationale Zahl ist. Der natürliche Logarithmus von -1 ist eine imaginäre Zahl, die als multiples von i * π bekannt ist, wobei i die imaginäre Einheit ist. Da π selbst eine irrationale Zahl ist, ist π * i auch eine Art irrationale Zahl, jedoch eine imaginäre Zahl. Es kann als eine Kombination aus einer realen und einer imaginären Komponente dargestellt werden, aber keine reine reelle oder rationale Zahl. Ist das verständlich oder kannst du mit den Fachbegriffen nichts anfangen? Dann versuche ich es noch einfacher zu erklären.

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NeilderMensch 
Fragesteller
 06.02.2023, 22:00
@Hildebrunn21

Nein Danke! Mit Komplexen Zahlen kenne ich mich gut aus. Ich habe nur, als ich meine nachfrage gestellt habe, nicht nachgedacht. Danke!

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MagicalGrill  06.02.2023, 21:42
Da e selbst irrational ist, ist es unwahrscheinlich, dass eine potenzierte Form von e eine rationale Zahl ist

Ich fürchte, das Argument hinkt ein wenig. Etwa √2 ist ebenso eine irrationale Zahl, aber (√2)² ist durchaus rational.

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Hildebrunn21  06.02.2023, 21:44
@MagicalGrill

Nein, (√2)^2 = 2 ist keine rationale Zahl. Die rationale Zahlen sind diejenigen, die als Bruch von zwei ganzen Zahlen dargestellt werden können. √2 kann jedoch nicht in dieser Form dargestellt werden, da keine ganzen Zahlen gefunden werden können, die bei der Multiplikation 2 ergeben.

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NeilderMensch 
Fragesteller
 06.02.2023, 21:48
@MagicalGrill

Aber mir ist etwas aufgefallen: e ist transzendent. Also ist e^x x E N denke ich immer irrational.

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MagicalGrill  06.02.2023, 21:50
@NeilderMensch

Ja, die Transzendenz ist in der Tat hinreichend dafür. Die Irrationalität nur eben nicht ;)

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Hildebrunn21  06.02.2023, 21:50
@NeilderMensch

Ja, du hast Recht! Eine transzendente Zahl ist eine Zahl, die nicht durch eine rationale Zahl beschrieben werden kann. Da e transzendent ist, ist jede Potenz von e, also e^x, für x ein reelles oder ein imaginäres Zahlen ebenfalls transzendent. Das bedeutet, dass e^x im Allgemeinen irrational ist, sofern x nicht eine rationale Zahl ist.

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MagicalGrill  06.02.2023, 21:51
@Hildebrunn21

Mir ist klar dass √2 nicht rational ist. Aber (√2)² = 2 = 2/1 ist eben schon rational. Damit gibt es eine ganzzahlige Potenz von √2, die rational ist.

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Hildebrunn21  06.02.2023, 21:53
@MagicalGrill

Das ist richtig! Eine Potenz von √2, wie z.B. (√2)^2, kann eine rationale Zahl sein, auch wenn √2 selbst irrational ist.

Diese Tatsache zeigt, dass es im Allgemeinen schwierig ist, die Rationalität einer Zahl zu beurteilen, wenn sie in irgendeiner Form Wurzeln oder Logarithmen enthält. Deswegen kann es notwendig sein, weitere Berechnungen durchzuführen, um zu bestimmen, ob eine Zahl rational oder irrational ist.

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Jangler13  06.02.2023, 22:03
@Hildebrunn21
Eine transzendente Zahl ist eine Zahl, die nicht durch eine rationale Zahl beschrieben werden kann.

So ist Transzendenz nicht definiert.

Da e transzendent ist, ist jede Potenz von e, also e^x, für x ein reelles oder ein imaginäres Zahlen ebenfalls transzendent.

Also ist e^0 = 1 auch transzendent?

Das bedeutet, dass e^x im Allgemeinen irrational ist, sofern x nicht eine rationale Zahl ist.

e^ln(2) ist rational, obwohl ln(2) irrational ist.

Hör bitte auf, mit ChatGPT Unsinn zu produzieren. ChatGPT ist NICHT dazu da um mathematische Aufgaben zu lösen, es ist einfach nur ein fehleranfälliges Sprachmodell. Und wie man sieht, gibst du dir nicht Mal die mühe, die generierten Antworten zu Kontrollieren (oder du hast das wissen nicht).

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Jangler13  06.02.2023, 22:04
@NeilderMensch

Seine Kommentare sind kein Dank wert, die sind voll mit Fehlern, da die von einer KI sind.

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NeilderMensch 
Fragesteller
 06.02.2023, 22:06
@Jangler13

Die von Hildebrunn?

Danke!

Ich bedanke mich aber auch gerne bei Computern.

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Jangler13  06.02.2023, 22:07
@NeilderMensch

Obwohl der Text so massive Fehler enthält, und offensichtlich nicht korrekturgelesen wurde?

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