Proposição: o número log102 é irracional.
Para tanto, utilizaremos a técnica da "prova por contradição": assumiremos que aquilo o que queremos provar é falso e deduziremos, por meio de procedimentos matemáticos válidos, um absurdo. O absurdo será construído com base na lei da tricotomia.
Lei da tricotomia: se p e q são números inteiros, então uma, e somente uma, das seguintes possibilidades ocorre: q<p, q>p ou q=p.
Vamos, então, para a prova da proposição:
Se log102 é um número racional, então existem inteiros p>0 e q≠0 tais que
pq=log102
Segue da igualdade acima que
10pq=10log102
Pelas propriedades dos logaritmos, obtemos:
10pq=2
Elevando ambos os lados à
q-ésima potência:
(10pq)q=2q
Simplificando o lado esquerdo:
10p=2q
Como
10=2⋅5, concluímos que:
(2⋅5)p=2q
Pelas propriedades das potências:
2p⋅5p=2q
Fazendo permanecer apenas o número
5p no primeiro membro:
5p=2q2p
Pelas propriedades das potências:
5p=2q−p
Conforme mencionamos no início, p é um inteiro estritamente positivo. Portanto, o lado esquerdo da última igualdade é um número inteiro. Consequentemente, o lado direito também é um inteiro. Note que se tivéssemos q<p, então o expoente do 2 seria negativo e, consequentemente, o lado direito da última igualdade não seria um inteiro (pois estaria entre zero e um). Logo q<p não é possível;
Se, de outro modo, tivéssemos q>p, então o lado esquerdo da última igualdade seria um número inteiro múltiplo de dois e, consequentemente, o lado esquerdo também seria. Mas o lado esquerdo não é um múltiplo de dois, pois ele é da forma 5⋅5⋯5 (com p parcelas iguais a cinco e nenhuma igual a dois). Logo q>p não é possível;
Por fim, se tivéssemos p=q, então teríamos 5p=2p−p=20=1. Seguir-se-ia que 5=p√1=1 - o que, como sabemos, não é verdade. Logo q=p também não é possível.
Em resumo: não temos
q<p, nem
q=p e nem
q>p. Mas isso é um absurdo, pois viola a lei da tricotomia. Logo a nossa hipótese deve ser falsa e, portanto, sua negação é verdadeira, ou seja,
log102 é irracional.
Desafio para o leitor: prove que o número log10√2 é irracional. Dica: use propriedades dos logaritmos e a proposição que acabamos de provar.
Referências: adaptado de alguns sites.
Erros podem ser relatados aqui.