Джон Конуэй, Майкл Гай
Разрешены символы и , обычные обозначения для корней и , степени, факториалы и десятичные обозначения и . Само число , логарифмические и тригонометрические функции можно не использовать. Факториалы используются только для натуральных чисел, иначе . Мы также не разрешаем использовать таких монстров, как .
Например,
очень хорошее приближение , и ясно, что его можно модифицировать так, чтобы оно было настолько точным, насколько мы этого хотим. Более того, его можно улучшить так, чтобы использовались только три четверки, поскольку при .
Мы можем вывести похожие “точные’’ формулы для различных чисел, нам интересных. Так, , так что можно получить последовательность приближений и (например, или ). В нашем лучшем результате такого вида для используется семь четверок, и он выведен из формулы
.
Также можно записать с помощью семи четверок, но мы еще не можем найти формулу такого вида для константы Эйлера .
Сейчас мы покажем, что все это не является необходимым. Действительно, справедлива следующая теорема.
Теорема 1. Любое вещественное число может быть сколь угодно точно приближено, используя четыре -ки и обычные действия.
Доказательство. Из формулы
следует, что для достаточно больших
,
поскольку пред
где индексы у корня обозначают количество повторений квадратного корня. Извлекая квадратный корень раз, получаем
.
Теперь мы можем взять в виде , так что будут выполняться все указанные выше условия, и выражение между знаками меньше будет содержать только четыре -ки. Так как числа для целых и натуральных плотны в множестве положительных вещественных чисел, то теорема доказана. Для отрицательных чисел нужно просто добавить знак “минус’’.
Теорема 2. Если разрешить использование знака целой части, то любое целое число представимо с помощью четырех четверок, а любое вещественное число — с помощью пяти.
Доказательство. Первая часть теоремы очевидна, а вторая становится следствием первой, если заметить, что любое рациональное число равно для подходящих целых значений и .
Теоремы 1 и 2 могут быть доказаны для любых натуральных чисел, не только для четверок. Есть единственное ограничение, что единицами могут быть не более трех из этих чисел.
Остаются вопросы:
1. Существует ли “точная’’ формула для с менее, чем семью четверками?
2. Существует ли какая-либо точная формула для ?
3. Являются ли числа плотными на множестве ?