a)
If\({\rm{e}}\)were rational, it would take the form\({\rm{e = }}\frac{{\rm{p}}}{{\rm{q}}}\), where p and q are positive integers and\({\rm{q > 2}}\)respectively.
\({\rm{e = }}\frac{{\rm{p}}}{{\rm{q}}}\)
Let's pretend we have,
\(\begin{aligned}{}{\rm{f(x) = }}{{\rm{e}}^{\rm{x}}}\\{{\rm{f}}'}{\rm{(x) = }}{{\rm{e}}^{\rm{x}}} \Rightarrow {{\rm{f}}^{\rm{n}}}{\rm{(x) = }}{{\rm{e}}^{\rm{x}}}\\ \Rightarrow {\rm{f(0) = }}{{\rm{e}}^{\rm{0}}}{\rm{ = 1}}\\{{\rm{f}}^{\rm{n}}}{\rm{(0) = }}{{\rm{e}}^{\rm{0}}}{\rm{ = 1}}\end{aligned}\)
The Taylor polynomial of\({{\rm{n}}^{{\rm{th}}}}\)degree for\({\rm{f(x)}}\)about\({\rm{x = a}}\)is given by
\({{\rm{T}}_{\rm{n}}}{\rm{(x) = f(a) + }}{{\rm{f}}'}{\rm{(a)}}\frac{{{\rm{(x - a)}}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{''}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{2}}}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{'''}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{3}}}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + }}{{\rm{f}}^{\rm{n}}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{n}}}}}{{{\rm{n!}}}}\)
When the remainder is calculated as follows:
\({{\rm{R}}_{\rm{n}}}{\rm{(x) = }}{{\rm{f}}^{{\rm{(n + 1)}}}}{\rm{(z)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{{\rm{n + 1}}}}}}{{{\rm{(n + 1)!}}}}\)
\(z\)is the number between x and a.
\({\rm{f(x)}}\)is a function defined by
\({\rm{f(x) = }}{{\rm{T}}_{\rm{n}}}{\rm{(x) + }}{{\rm{R}}_{\rm{n}}}{\rm{(x)}}\)
As a result, the Taylor polynomial function\({{\rm{e}}^{\rm{x}}}\)with\({{\rm{q}}^{{\rm{th}}}}\)degree and its remainder around\({\rm{x = a}}\)is given as
\(\begin{aligned}{}{\rm{f(x) = }}{{\rm{T}}_{\rm{n}}}{\rm{(x) + }}{{\rm{R}}_{\rm{n}}}{\rm{(x)}}{{\rm{e}}^{\rm{x}}}{\rm{ = f(a) + }}{{\rm{f}}'}{\rm{(a)}}\frac{{{\rm{(x - a)}}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{''}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{2}}}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{'''}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{3}}}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + }}{{\rm{f}}^{\rm{n}}}{\rm{(a)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{\rm{q}}}}}{{{\rm{q!}}}}\\{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{{\rm{(q + 1)}}}}{\rm{(z)}}\frac{{{{{\rm{(x - a)}}}^{{\rm{q + 1}}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}\;\;\;{\rm{ (where z lies between x and a ) }}\end{aligned}\)
Taking x=1 and a=0, we have
\(\begin{aligned}{}{{\rm{e}}^{\rm{1}}}{\rm{ = f(0) + }}{{\rm{f}}'}{\rm{(0)}}\frac{{{\rm{(1 - 0)}}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{''}}{\rm{(0)}}\frac{{{{{\rm{(1 - 0)}}}^{\rm{2}}}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{'''}}{\rm{(0)}}\frac{{{{{\rm{(1 - 0)}}}^{\rm{3}}}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + }}{{\rm{f}}^{\rm{n}}}{\rm{(1)}}\frac{{{{{\rm{(1 - 0)}}}^{\rm{q}}}}}{{{\rm{q!}}}}\\{\rm{ + }}{{\rm{f}}^{{\rm{(q + 1)}}}}{\rm{(z)}}\frac{{{{{\rm{(1 - 0)}}}^{{\rm{q + 1}}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}\;\;\;{\rm{( where 0 < z < 1)}}\\{{\rm{e}}^{\rm{1}}}{\rm{ = 1 + 1 \times }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + 1 \times }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + 1 \times }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + 1 \times }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{q!}}}}\\\;\;\;{\rm{ + }}{{\rm{e}}^{\rm{z}}}{\rm{ \times }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}{\rm{;}}\;\;\;\;\;\;{\rm{( where 0 < z < 1)}}\\\left. {{\rm{e = 1 + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{q!}}}}{\rm{ + }}\frac{{{{\rm{e}}^{\rm{z}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}{\rm{;}}\;\;\;\;\;\;{\rm{ (where 0 < z < 1}}} \right)\\{\rm{e = }}{{\rm{s}}_{\rm{q}}}{\rm{ + }}\frac{{{{\rm{e}}^{\rm{z}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}\;\;\;{\rm{( where 0 < z < 1)}}\end{aligned}\)
With \({{\rm{s}}_{\rm{q}}}{\rm{ = 1 + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{1!}}}}{\rm{ + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{2!}}}}{\rm{ + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{3!}}}}{\rm{ + \ldots + }}\frac{{\rm{1}}}{{{\rm{q!}}}}\)
Consequently, we have
\(\frac{{\rm{p}}}{{\rm{q}}}{\rm{ = e = }}{{\rm{s}}_{\rm{q}}}{\rm{ + }}\frac{{{{\rm{e}}^{\rm{z}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}\;\;\;{\rm{( where 0 < z < 1)}}\)
Therefore, the given statement \(\frac{{\rm{p}}}{{\rm{q}}}{\rm{ = e = }}{{\rm{s}}_{\rm{q}}}{\rm{ + }}\frac{{{{\rm{e}}^{\rm{z}}}}}{{{\rm{(q + 1)!}}}}\;\;\;{\rm{( where 0 < z < 1)}}\) is proved .