Um número é chamado de irracional quando não pode ser escrito como uma fração de dois números inteiros. Em outras palavras, um número \(r\) é racional se existem inteiros \(a\) e \(b\), com \(b \neq 0\), tais que
Vamos provar que o número \(\pi\) não pode ser representado dessa forma. A demonstração será feita por contradição.
1. Suposição inicial
Suponha, por absurdo, que \(\pi\) seja racional. Então existem inteiros positivos \(a\) e \(b\) tais que
Escolha um número inteiro positivo \(n\), que será escolhido suficientemente grande ao final da demonstração.
2. Definição da função auxiliar
Considere a função
Como \(0 < x < \pi\), temos \(x^n > 0\) e \((\pi-x)^n > 0\). Portanto,
Além disso, \(\sin(x)>0\) no intervalo $0 < x < \pi $. Assim, o produto \(f(x)\sin(x)\) também é positivo nesse intervalo.
3. Derivadas inteiras nos extremos
Como estamos supondo que \(\pi=a/b\), podemos expandir a função \(f(x)\) da seguinte maneira:
Substituindo \(\pi=a/b\), obtemos
Portanto,
Todas as derivadas de \(f\) no ponto \(x=0\) são inteiras. De fato, o coeficiente da potência \(x^{n+k}\), quando multiplicado pela derivada correspondente, resulta em
que é um número inteiro.
Além disso, como
as derivadas de \(f\) em \(x=\pi\) também são inteiras.
4. Construção de uma nova função
Defina
A função \(f(x)\) é um polinômio de grau \(2n\). Portanto, \(f^{(2n+2)}(x)=0\). Ao calcular \(F''(x)+F(x)\), os termos intermediários se cancelam:
Como as derivadas de \(f\) nos pontos \(0\) e \(\pi\) são inteiras, concluímos que
são números inteiros.
5. Definição da integral
Considere a integral
Como \(f(x)>0\) e \(\sin(x)>0\) no intervalo \(0
Usando a relação \(f(x)=F''(x)+F(x)\), podemos escrever
Aplicando integração por partes, os termos envolvendo a integral
de \(F(x)\sin(x)\) se cancelam, resultando em
Como \(\sin(0)=\sin(\pi)=0\), \(\cos(0)=1\) e
\(\cos(\pi)=-1\), segue que
Como \(F(0)\) e \(F(\pi)\) são inteiros, concluímos que \(I\) é um
número inteiro. Como já sabemos que \(I>0\), temos
Para \(0\leq x\leq\pi\), vale a desigualdade
Portanto,
Como $0 < \sin(x) \leq 1$, obtemos
Assim,
O número \(b\pi^2/4\) é uma constante fixa. Entretanto, o fatorial
\(n!\) cresce mais rapidamente que qualquer potência fixa.
Portanto, escolhendo \(n\) suficientemente grande, teremos
Consequentemente,
Encontramos duas conclusões contraditórias:
Isso é impossível. A contradição surgiu porque supusemos que
\(\pi=a/b\), isto é, que \(\pi\) fosse racional.
Portanto, a suposição inicial é falsa. Concluímos que
6. Mostrando que a integral é menor que 1
7. Contradição






