2的算術平方根

2的算術平方根，俗称“根号2”，记作${\displaystyle {\sqrt {2}}}$，可能是最早被发现的无理数。相传毕达哥拉斯学派的希帕索斯首先提出了“${\displaystyle {\sqrt {2}}}$不是有理数”的命题：若一个直角三角形的两个直角边都是1，那么它的斜边长，无法用整数或分数表示。

2的平方根

2的平方根
數表—无理数 √2 - φ - √3 - √5 - δS - e - π
命名
數字	${\displaystyle {\sqrt {2}}}$
名稱	2的平方根 2的算術平方根 2的主平方根 根号2
識別
種類	無理數
符號	${\displaystyle {\sqrt {2}}}$
性質
以此為根的多項式或函數	${\displaystyle x^{2}-2=0}$
表示方式
值	${\displaystyle {\sqrt {2}}\approx }$1.414213562...
二进制	1.011010100000100111100110…
十进制	1.414213562373095048801688…
十六进制	1.6A09E667F3BCC908B2FB1366…
查 论 编

${\displaystyle {\sqrt {2}}}$其最初65位為

1.41421356237309504880168872420969807856967187537694807317667973799… （OEIS數列A002193）

${\displaystyle {\sqrt {2}}}$是无理数的证明

人們發現了许多方法证明${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 是无理数。以下是反證法的證明

常見的證明

1. 假設${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 是有理數，即有整數${\displaystyle a_{0}}$ 、${\displaystyle b_{0}}$ ，使得${\displaystyle {\tfrac {a_{0}}{b_{0}}}={\sqrt {2}}}$ 
2. 將${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 重寫成最簡分數${\displaystyle {\tfrac {a}{b}}}$ ，即${\displaystyle a}$ 和${\displaystyle b}$ 互質，且${\displaystyle \left({\tfrac {a}{b}}\right)^{2}=2}$ 
3. 所以${\displaystyle {\tfrac {a^{2}}{b^{2}}}=2}$ ，即${\displaystyle a^{2}=2b^{2}}$ 
4. 因為${\displaystyle 2b^{2}}$ 必為偶数，故${\displaystyle a^{2}}$ 亦是偶数
5. 故${\displaystyle a}$ 為偶数（奇数的平方不會是偶数）
6. 所以必有一整數${\displaystyle k}$ ，使得${\displaystyle a=2k}$ 
7. 將（3）的式子代入（6）：${\displaystyle 2b^{2}=\left(2k\right)^{2}}$ 
8. 化简得${\displaystyle b^{2}=2k^{2}}$ 
9. 因为${\displaystyle 2k^{2}}$ 是偶数，所以${\displaystyle b^{2}}$ 是偶数，${\displaystyle b}$ 亦是偶数
10. 所以${\displaystyle a}$ 和${\displaystyle b}$ 都是偶数，跟${\displaystyle {\tfrac {a}{b}}}$ 是最簡分數的假設矛盾
11. 因為導出矛盾，所以（1）的假設錯誤，${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 不是有理數，即是無理數

這個證明可推廣至證明任何非完全平方數的正整數n，其算術平方根${\displaystyle {\sqrt {n}}}$ 為無理數。

另一個證明

另外一個${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 是無理數的反證法證明較少為人所知，但證明方法也相當漂亮：

1. 假設${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 是有理數，便可以表示成最簡分數${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ ，其中${\displaystyle m}$ ,${\displaystyle n}$ 為正整數
2. ${\displaystyle {\sqrt {2}}={\frac {\sqrt {2}}{1}}={\frac {(2-{\sqrt {2}})({\sqrt {2}}+1)}{2-1}}={\frac {(2-{\sqrt {2}})({\sqrt {2}}+1)}{({\sqrt {2}}-1)({\sqrt {2}}+1)}}={\frac {2-{\sqrt {2}}}{{\sqrt {2}}-1}}}$ 
3. 由於${\displaystyle {\sqrt {2}}={\frac {m}{n}}}$ ，所以${\displaystyle {\frac {2-{\sqrt {2}}}{{\sqrt {2}}-1}}={\frac {2-{\frac {m}{n}}}{{\frac {m}{n}}-1}}={\frac {2n-m}{m-n}}}$ 
4. 因為${\displaystyle {\frac {m-n}{n}}={\sqrt {2}}-1}$ 
5. ${\displaystyle 2>{\sqrt {2}}\Rightarrow 1+1>{\sqrt {2}}\Rightarrow {\sqrt {2}}-1<1}$ 
6. 所以${\displaystyle m-n<n}$ 
7. 故${\displaystyle {\frac {2n-m}{m-n}}}$ 是比${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ 更簡的分數，與${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ 是最簡分數的假設矛盾

從一個直角邊為${\displaystyle n}$ ，斜邊為${\displaystyle m}$ 的等腰直角三角形，可以用尺規作圖作出直角邊為${\displaystyle m-n}$ ，斜邊為${\displaystyle 2n-m}$ 的等腰直角三角形。這是古希臘幾何學家的作圖證明方法。

性质

2的算术平方根可以表示为以下的级数或无穷乘积：

${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}=\prod _{k=0}^{\infty }\left(1-{\frac {1}{(4k+2)^{2}}}\right)=\left(1-{\frac {1}{4}}\right)\left(1-{\frac {1}{36}}\right)\left(1-{\frac {1}{100}}\right)\cdots }$ 

${\displaystyle {\sqrt {2}}=\prod _{k=0}^{\infty }{\frac {(4k+2)^{2}}{(4k+1)(4k+3)}}=\left({\frac {2\cdot 2}{1\cdot 3}}\right)\left({\frac {6\cdot 6}{5\cdot 7}}\right)\left({\frac {10\cdot 10}{9\cdot 11}}\right)\left({\frac {14\cdot 14}{13\cdot 15}}\right)\cdots }$ 

${\displaystyle {\sqrt {2}}=\prod _{k=0}^{\infty }\left(1+{\frac {1}{4k+1}}\right)\left(1-{\frac {1}{4k+3}}\right)=\left(1+{\frac {1}{1}}\right)\left(1-{\frac {1}{3}}\right)\left(1+{\frac {1}{5}}\right)\left(1-{\frac {1}{7}}\right)\cdots .}$ 

${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}\left({\frac {\pi }{4}}\right)^{2k}}{(2k)!}}.}$ 

${\displaystyle {\sqrt {2}}=\sum _{k=0}^{\infty }(-1)^{k+1}{\frac {(2k-3)!!}{(2k)!!}}=1+{\frac {1}{2}}-{\frac {1}{2\cdot 4}}+{\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4\cdot 6}}-{\frac {1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6\cdot 8}}+\cdots .}$ 

${\displaystyle {\sqrt {2}}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(2k+1)!}{(k!)^{2}2^{3k+1}}}={\frac {1}{2}}+{\frac {3}{8}}+{\frac {15}{64}}+{\frac {35}{256}}+{\frac {315}{4096}}+{\frac {693}{16384}}+\cdots .}$ 

2的算术平方根的连分数展开式为：

${\displaystyle \!\ {\sqrt {2}}=1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{\ddots }}}}}}}}.}$ 

^{[註⁠ 1]}

註釋

註:
1. 令${\displaystyle \!\ x=2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{\ddots }}}}}}}}}$ ， 由觀察可知${\displaystyle x=2+{\frac {1}{x}}}$ ，即${\displaystyle x^{2}-2x-1=0}$ ， 解方程，取正根，得${\displaystyle x=1+{\sqrt {2}}}$ ， 因此${\displaystyle {\sqrt {2}}=x-1=1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{\ddots }}}}}}}}}$ 。

参见

• 3的算術平方根
• 5的算術平方根
• 平方根
• 无理数

外部链接

• ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ 是無理數的六個證明，香港大學數學系蕭文強（页面存档备份，存于互联网档案馆）（Mathematical Excalibur Vol.3 No.1 Page 2）
• 舊題新解 — 根號2是無理數，張海潮 張鎮華^{[永久失效連結]}（數學傳播 第 30 卷 第 4 期）