Рациональное число
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]
Заказ
[ редактировать ]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 ]- обыкновенная дробь :
- смешанное числительное :
- повторение десятичной дроби с помощью винкулума :
- повторение десятичной дроби с использованием круглых скобок :
- непрерывная дробь с использованием традиционной типографики:
- непрерывная дробь в сокращенном обозначении:
- Египетская фракция :
- разложение по основным степеням :
- обозначение цитаты :
Это разные способы представления одной и той же рациональной ценности.
Формальная конструкция
[ редактировать ]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
Сложение и умножение можно определить по следующим правилам:
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 ]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 ]- Диадический рациональный
- Плавающая точка
- Фордовые круги
- Гауссово рациональное
- Наивная высота - высота рационального числа в наименьшем члене.
- Теорема Нивена
- Рациональный тип данных
- Божественные пропорции: от рациональной тригонометрии к универсальной геометрии
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ Девушка, Гарри (2009). Элементы чистой и прикладной математики (иллюстрированное изд.). Курьерская корпорация. п. 382. ИСБН 978-0-486-47186-0 . Выдержка со страницы 382
- ^ Робинсон, Джулия (1996). Собрание сочинений Джулии Робинсон . Американское математическое соц. п. 104. ИСБН 978-0-8218-0575-6 . Выдержка со страницы 104
- ^ «Рациональное число» . Британская энциклопедия . Проверено 11 августа 2020 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Рациональное число» . Вольфрам Математический мир . Проверено 11 августа 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ Гилберт, Джимми; Линда, Гилберт (2005). Элементы современной алгебры (6-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Томсон Брукс/Коул. стр. 243–244. ISBN 0-534-40264-Х .
- ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. входа Коэффициент , н. , смысл 2.а.
- ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. Вступление рациональное , а. (нареч.) и сущ. 1 , смысл 5.а.
- ^ Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989. Вступление иррациональное , А. и н. , смысл 3.
- ^ Шор, Питер (9 мая 2017 г.). «Рациональное происходит от соотношения, или соотношение происходит от рационального» . Обмен стеками . Проверено 19 марта 2021 г.
- ^ Кулман, Роберт (29 января 2016 г.). «Как математическое суеверие сводило на нет алгебру на протяжении более тысячи лет» . Проверено 20 марта 2021 г.
- ^ Крамер, Эдна (1983). Природа и развитие современной математики . Издательство Принстонского университета. п. 28.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Дробь — Математическая энциклопедия» . энциклопедияofmath.org . Проверено 17 августа 2021 г.
- ^ Сугаккай, Нихон (1993). Энциклопедический математический словарь, Том 1 . Лондон, Англия: MIT Press. п. 578. ИСБН 0-2625-9020-4 .
- ^ Бурбаки, Н. (2003). Алгебра II: Главы 4–7 . Springer Science & Business Media. п. А.VII.5.
- ^ 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.
- ^ 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
- ^ 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
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «p-адическое число» . Вольфрам Математический мир . Проверено 17 августа 2021 г.