Рациональное число

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
(Перенаправлено с рациональных чисел )
Рациональные числа включены в действительные числа , которые входят в состав комплексных чисел , а рациональные числа включают целые числа , которые, в свою очередь, включают натуральные числа .

В математике рациональное число это число , которое можно выразить как частное или дробь. двух целых чисел , числителя p и ненулевого знаменателя q . [1] Например, является рациональным числом, как и любое целое число (например, ). Совокупность всех рациональных чисел , также называемых « рациональными числами ». [2] поле рациональных рассуждений [3] или поле рациональных чисел обычно обозначается жирным шрифтом Q или жирным шрифтом на доске.

Рациональное число – это действительное число . Рациональными действительными числами являются те, десятичное разложение которых либо заканчивается после конечного числа цифр (пример: 3/4 = 0,75 ), либо в конечном итоге начинает повторять одну и ту же конечную последовательность цифр снова и снова (пример: 9/44 = 0,20454545... ). [4] Это утверждение верно не только для системы счисления 10 , но и для любой другой целочисленной системы счисления , например, двоичной и шестнадцатеричной (см. раздел Повторение десятичной дроби § Расширение до других систем счисления ).

Действительное число , не являющееся рациональным, называется иррациональным . [5] Иррациональные числа включают квадратный корень из 2 ( ), π , e и золотое сечение ( φ ). Поскольку множество рациональных чисел счетно , а множество действительных чисел неисчислимо , почти все действительные числа иррациональны. [1]

Рациональные числа можно формально определить как классы эквивалентности пар целых чисел ( p, q ) с q ≠ 0 , используя отношение эквивалентности , определенное следующим образом:

Фракция затем обозначает класс эквивалентности ( p, q ) . [6]

Рациональные числа вместе со сложением и умножением образуют поле , содержащее целые числа , и содержится в любом поле, содержащем целые числа. Другими словами, поле рациональных чисел является простым полем , и поле имеет нулевую характеристику тогда и только тогда, когда оно содержит рациональные числа в качестве подполя. Конечные расширения называются полями алгебраических чисел , а алгебраическим замыканием — поле алгебраических чисел . [7]

В математическом анализе рациональные числа образуют плотное подмножество действительных чисел. Действительные числа могут быть построены из рациональных чисел путем завершения , используя последовательности Коши , разрезы Дедекинда или бесконечные десятичные дроби (см. Построение действительных чисел ).

Терминология [ править ]

Термин «рациональный» по отношению к множеству относится к тому факту, что рациональное число представляет собой отношение двух целых чисел. В математике слово «рациональное» часто используется как существительное, сокращающее «рациональное число». Прилагательное рациональное иногда означает, что коэффициенты являются рациональными числами. Например, рациональная точка — это точка с рациональными координатами (т. е. точка, координаты которой являются рациональными числами); рациональная матрица матрица рациональных чисел; может рациональный многочлен быть многочленом с рациональными коэффициентами, хотя термин «полином по рациональным числам» обычно предпочтительнее, чтобы избежать путаницы между « рациональным выражением » и « рациональной функцией » ( многочлен — это рациональное выражение и определяет рациональную функцию, даже если его коэффициенты не являются рациональными числами). Однако рациональная кривая — это не кривая, определенная над рациональными числами, а кривая, которую можно параметризовать рациональными функциями.

Этимология [ править ]

Хотя в настоящее время рациональные числа определяются в терминах отношений , термин «рациональный» не является производным от отношения . Напротив, именно отношение происходит от рационального : первое использование отношения в его современном значении было засвидетельствовано в английском языке около 1660 г. [8] тогда как использование рациональных чисел для уточнения чисел появилось почти на столетие раньше, в 1570 году. [9] Это значение слова «рациональный» произошло от математического значения слова «иррациональное» , которое впервые было использовано в 1551 году и использовалось в «переводах Евклида (после его своеобразного использования ἄλογος )». [10] [11]

Эта необычная история возникла из-за того, что древние греки «избежали ереси, запретив себе думать об этих [иррациональных] длинах как о числах». [12] Таким образом, такие длины были иррациональны , в смысле нелогичны , то есть «нельзя говорить о них» ( ἄλογος по-гречески). [13]

Арифметика [ править ]

Несократимая дробь [ править ]

Каждое рациональное число можно выразить уникальным образом в виде несократимой дроби. где a и b взаимно простые целые числа и b > 0 . Это часто называют канонической формой рационального числа.

Начиная с рационального числа его каноническую форму можно получить, разделив a и b на их наибольший общий делитель и, если b < 0 , изменив знак полученных числителя и знаменателя.

Встраивание целых чисел [ править ]

Любое целое число n можно выразить как рациональное число что является его канонической формой рационального числа.

Равенство [ править ]

если и только если

Если обе дроби имеют каноническую форму, то:

если и только если и [6]

Заказ [ править ]

Если оба знаменателя положительны (особенно если обе дроби имеют каноническую форму):

если и только если

С другой стороны, если любой из знаменателей отрицательный, то каждую дробь с отрицательным знаменателем необходимо сначала преобразовать в эквивалентную форму с положительным знаменателем — изменив знаки как ее числителя, так и знаменателя. [6]

Дополнение [ править ]

Две фракции складываются следующим образом:

Если обе дроби находятся в канонической форме, результат будет в канонической форме тогда и только тогда, когда b, d взаимно простые целые числа . [6] [14]

Вычитание [ править ]

Если обе дроби находятся в канонической форме, результат будет в канонической форме тогда и только тогда, когда b, d взаимно простые целые числа . [14]

Умножение [ править ]

Правило умножения следующее:

где результатом может быть сокращаемая дробь , даже если обе исходные дроби имеют каноническую форму. [6] [14]

Инверсия [ править ]

Каждое рациональное число имеет аддитивную инверсию , часто называемую своей противоположностью ,

Если находится в канонической форме, то же самое верно и для его противоположности.

Ненулевое рациональное число имеет мультипликативную обратную величину , также называемую обратной ,

Если находится в канонической форме, то канонической формой обратной ему величины является либо или в зависимости от знака а .

Дивизия [ править ]

Если b, c, d не равны нулю, правило деления следующее:

Таким образом, разделив к эквивалентно умножению взаимным образом [14]

Возведение в степень в целую степень [ править ]

Если n — целое неотрицательное число, то

Результат имеет каноническую форму, если то же самое верно для В частности,

Если а ≠ 0 , то

Если находится в канонической форме, каноническая форма результата равна если a > 0 или n четно. В противном случае каноническая форма результата будет

Представление непрерывной дроби [ править ]

Конечная цепная дробь это такое выражение, как

где n целые числа. Каждое рациональное число можно представить как конечную цепную дробь, коэффициенты которой n можно определить , применив алгоритм Евклида к ( a, b ) .

Другие представления [ править ]

Это разные способы представления одной и той же рациональной ценности.

Формальная конструкция [ править ]

Диаграмма, показывающая представление эквивалентных классов пар целых чисел.

Рациональные числа могут быть построены как классы эквивалентности упорядоченных пар целых чисел . [6] [14]

Точнее, пусть — набор пар ( m, n ) целых чисел таких n ≠ 0 . Отношение эквивалентности определяется на этом множестве формулой

[6] [14]

Сложение и умножение можно определить по следующим правилам:

[6]

Это отношение эквивалентности является отношением конгруэнтности , что означает, что оно совместимо с определенными выше операциями сложения и умножения; набор рациональных чисел определяется как фактормножество по этому отношению эквивалентности, оснащен сложением и умножением, вызванным вышеуказанными операциями. (Эта конструкция может быть выполнена с любой целой областью и дает ее поле дробей .) [6]

Класс эквивалентности пары ( m, n ) обозначается Две пары ( m 1 , n 1 ) и ( m 2 , n 2 ) принадлежат одному и тому же классу эквивалентности (т.е. эквивалентны) тогда и только тогда, когда

Это значит, что

если и только если [6] [14]

Каждый класс эквивалентности может быть представлено бесконечным числом пар, поскольку

Каждый класс эквивалентности содержит уникальный канонический представительный элемент . Канонический представитель — это единственная пара ( m, n ) в классе эквивалентности такая, что m и n и взаимно просты n > 0 . Это называется представлением в низших терминах рационального числа.

Целые числа можно рассматривать как рациональные числа, отождествляющие целое число n с рациональным числом.

Для рациональных чисел можно определить общий порядок , который расширяет естественный порядок целых чисел. Надо

Если

Свойства [ править ]

Набор всех рациональных чисел вместе с показанными выше операциями сложения и умножения образует поле . [6]

не имеет никакого полевого автоморфизма, кроме единицы. (Полевой автоморфизм должен фиксировать 0 и 1; поскольку он должен фиксировать сумму и разность двух фиксированных элементов, он должен фиксировать каждое целое число; поскольку он должен фиксировать частное двух фиксированных элементов, он должен фиксировать каждое рациональное число и отсюда и тождество.)

простое поле , то есть поле, не имеющее других подполей, кроме самого себя. [15] Рациональные числа — это наименьшее поле с нулевой характеристикой . Каждое поле нулевой характеристики содержит единственное подполе, изоморфное

В порядке, определенном выше, это упорядоченное поле [14] которое не имеет другого подполя, кроме самого себя, и является наименьшим упорядоченным полем в том смысле, что каждое упорядоченное поле содержит уникальное подполе изоморфное ,

поле дробных целых чисел [16] Алгебраическое замыкание т. е. поле корней рациональных многочленов является полем алгебраических чисел .

Рациональные числа представляют собой плотно упорядоченное множество: между любыми двумя рациональными числами находится еще одно и, следовательно, бесконечно много других. [6] Например, для любых двух дробей таких, что

(где положительны), мы имеем

Любое полностью упорядоченное множество, которое счетно, плотно (в указанном выше смысле) и не имеет наименьшего или наибольшего элемента, по порядку изоморфно рациональным числам. [17]

Счётность [ править ]

Иллюстрация счетности положительных рациональных чисел

Множество всех рациональных чисел счетно , как показано на рисунке справа. Поскольку рациональное число может быть выражено как отношение двух целых чисел, можно присвоить два целых числа любой точке квадратной решетки , как в декартовой системе координат , так что любая точка сетки соответствует рациональному числу. Однако этот метод демонстрирует некоторую форму избыточности, поскольку одному и тому же рациональному числу будут соответствовать несколько разных точек сетки; на представленном рисунке они выделены красным цветом. Очевидный пример можно увидеть в линии, идущей по диагонали в правый нижний угол; такие отношения всегда будут равны 1, поскольку любое ненулевое число, разделенное само на себя, всегда будет равно единице.

Можно сгенерировать все рациональные числа без такой избыточности: примеры включают дерево Калкина-Уилфа и дерево Штерна-Броко .

Поскольку множество всех рациональных чисел счетно, а множество всех действительных чисел (как и множество иррациональных чисел) несчетно, то множество рациональных чисел представляет собой нулевое множество , то есть почти все действительные числа иррациональны, в смысле меры Лебега .

числа и свойства Действительные топологические

Рациональные числа представляют собой плотное подмножество действительных чисел ; каждое действительное число имеет сколь угодно близкие к нему рациональные числа. [6] Связанное с этим свойство состоит в том, что рациональные числа — единственные числа, которые имеют конечные разложения в виде регулярных цепных дробей . [18]

В обычной топологии действительных чисел рациональные числа не являются ни открытым , ни закрытым множеством . [19]

В силу своего порядка рациональные числа несут топологию порядка . Рациональные числа, как подпространство действительных чисел, также имеют топологию подпространства . Рациональные числа образуют метрическое пространство , используя абсолютной разности . метрику и это дает третью топологию на Все три топологии совпадают и превращают рациональные числа в топологическое поле . Рациональные числа являются важным примером пространства, которое не является локально компактным . Рациональные числа топологически характеризуются как единственное счетное метризуемое пространство без изолированных точек . Пространство также полностью отключено . Рациональные числа не образуют полного метрического пространства , а действительные числа являются завершением по метрике выше. [14]

p -адические числа [ править ]

Помимо упомянутого выше показателя абсолютного значения, существуют и другие показатели, которые в топологическое поле:

Пусть p простое число и для любого ненулевого целого числа a пусть где р н — высшая степень числа p, делящая a .

Дополнительно установлен Для любого рационального числа мы устанавливаем

Затем

определяет метрику на [20]

Метрическое пространство не является полным, и его завершением является поле p -адического числа Теорема Островского утверждает, что любое нетривиальное абсолютное значение рациональных чисел эквивалентно либо обычному вещественному абсолютному значению, либо p -адическому абсолютному значению.

См. также [ править ]

Системы счисления
Сложный
Настоящий
Рациональный
Целое число
Естественный
Ноль : 0
Один : 1
простые числа
Составные числа
Отрицательные целые числа
Доля
Конечная десятичная дробь
Диадический (конечный бинарный)
Повторяющаяся десятичная дробь
иррациональный
Алгебраическая иррациональность
трансцендентный
Воображаемый

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Розен, Кеннет (2007). Дискретная математика и ее приложения (6-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 100-1 105, 158–160. ISBN  978-0-07-288008-3 .
  2. ^ Девушка, Гарри (2009). Элементы чистой и прикладной математики (иллюстрированное изд.). Курьерская компания. п. 382. ИСБН  978-0-486-47186-0 . Выдержка со страницы 382
  3. ^ Робинсон, Джулия (1996). Собрание сочинений Джулии Робинсон . Американское математическое соц. п. 104. ИСБН  978-0-8218-0575-6 . Выдержка со страницы 104
  4. ^ "Рациональное число" . Британская энциклопедия . Проверено 11 августа 2020 г.
  5. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Рациональное число» . Вольфрам Математический мир . Проверено 11 августа 2020 г.
  6. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я дж к л м Биггс, Норман Л. (2002). Дискретная математика . Индия: Издательство Оксфордского университета. стр. 75–78. ISBN  978-0-19-871369-2 .
  7. ^ Гилберт, Джимми; Линда, Гилберт (2005). Элементы современной алгебры (6-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Томсон Брукс/Коул. стр. 243–244. ISBN  0-534-40264-Х .
  8. ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. входа Коэффициент , н. , смысл 2.а.
  9. ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. Вступление рациональное , а. (нареч.) и сущ. 1 , смысл 5.а.
  10. ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. Вступление иррациональное , А. и н. , смысл 3.
  11. ^ Шор, Питер (9 мая 2017 г.). «Происходит ли рациональное от соотношения или соотношение происходит от рационального? » Обмен стеками . Проверено 19 марта 2021 г.
  12. ^ Кулман, Роберт (29 января 2016 г.). «Как математическое суеверие сводило на нет алгебру на протяжении более тысячи лет» . Проверено 20 марта 2021 г.
  13. ^ Крамер, Эдна (1983). Природа и развитие современной математики . Издательство Принстонского университета. п. 28.
  14. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я «Дробь — Математическая энциклопедия» . энциклопедияofmath.org . Проверено 17 августа 2021 г.
  15. ^ Сугаккай, Нихон (1993). Энциклопедический математический словарь, Том 1 . Лондон, Англия: MIT Press. п. 578. ИСБН  0-2625-9020-4 .
  16. ^ Бурбаки, Н. (2003). Алгебра II: Главы 4 - Springer Science & Business Media. п. А.VII.5.
  17. ^ Гизе, Мартин; Шёнегге, Арно (декабрь 1995 г.). Любые два счетных плотно упорядоченных множества без концов изоморфны — формальное доказательство с помощью KIV (PDF) (Технический отчет) . Проверено 17 августа 2021 г.
  18. ^ Энтони Ваззана; Дэвид Гарт (2015). Введение в теорию чисел (2-е, исправленное изд.). ЦРК Пресс. п. 1. ISBN  978-1-4987-1752-6 . Выдержка из страницы 1
  19. ^ Ричард А. Холмгрен (2012). Первый курс дискретных динамических систем (2-е, иллюстрированное изд.). Springer Science & Business Media. п. 26. ISBN  978-1-4419-8732-7 . Выдержка со страницы 26
  20. ^ Вайсштейн, Эрик В. «p-адическое число» . Вольфрам Математический мир . Проверено 17 августа 2021 г.

Примечания [ править ]

Внешние ссылки [ править ]