Jump to content

Рациональное число

(Перенаправлено из поля числа Rational )
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, — рациональное число, 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:

Дробь тогда 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 алгебраическое замыкание — 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

[ редактировать ]

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 над рациональными числами» 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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

Несократимая дробь

[ редактировать ]

Каждое рациональное число можно выразить уникальным образом в виде неприводимой 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

[ редактировать ]

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

Равенство

[ редактировать ]
тогда и только тогда, когда

Если обе дроби имеют каноническую форму, то:

тогда и только тогда, когда и [6]

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

тогда и только тогда, когда

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]

Добавление

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

Правило умножения следующее:

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

Обратный

[ редактировать ]

Каждое рациональное число имеет аддитивную инверсию , часто называемую ее 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 каноническая форма его обратной величины равна либо или в зависимости от знака a .

Разделение

[ редактировать ]

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

Таким образом, разделив от эквивалентно умножению на обратную величину [14]

Возведение в степень в целую степень

[ редактировать ]

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 — если a > 0 или n четно. В противном случае каноническая форма результата будет

Представление непрерывной дроби

[ редактировать ]

Конечная цепная дробь — это такое выражение, как

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

Другие представления

[ редактировать ]

Это разные способы представления одной и той же рациональной ценности.

Формальная конструкция

[ редактировать ]
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; множество 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 означает, что

тогда и только тогда, когда [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. У одного есть

Если

Характеристики

[ редактировать ]

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

не имеет 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 является отсюда и тождество.)

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

В порядке, определенном выше, 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 чисел целых [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]

Счетность

[ редактировать ]
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 .

Действительные числа и топологические свойства

[ редактировать ]

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 пополнением по метрике выше. [14]

p -адические числа

[ редактировать ]

Помимо упомянутого выше показателя абсолютного значения, существуют и другие показатели, которые превращают 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 пополнением является поле p -адических чисел Теорема Островского утверждает, что любое нетривиальное абсолютное значение рациональных чисел эквивалентен либо обычному вещественному абсолютному значению, либо p -адическому абсолютному значению.

См. также

[ редактировать ]
Системы счисления
Сложный
Настоящий
Рациональный
Целое число
Естественный
Ноль : 0
Один : 1
Простые числа
Составные числа
Отрицательные целые числа
Фракция
Конечная десятичная дробь
Диадический (конечный бинарный)
Повторяющаяся десятичная дробь
иррациональный
Алгебраическая иррациональность
трансцендентный
Воображаемый
  1. ^ Jump up to: а б Розен, Кеннет (2007). Дискретная математика и ее приложения (6-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 105, 158–160. ISBN  978-0-07-288008-3 .
  2. ^ Девушка, Гарри (2009). Элементы чистой и прикладной математики (иллюстрированное изд.). Курьерская корпорация. 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. ^ Jump up to: а б с д и 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.). «Рациональное происходит 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. ^ Jump up to: а б с д и 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 4–7 . 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

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c8f3d8b05a13a653f78734867afc6ce7__1722337920
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c8/e7/c8f3d8b05a13a653f78734867afc6ce7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Rational number - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)