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, ). Множество всех рациональных чисел , также называемое « рациональными числами », [2] поле рациональных чисел [3] или поле рациональных чисел обычно обозначается жирным шрифтом Q или жирным шрифтом на доске
Рациональное число — это действительное число . Действительные числа, которые являются рациональными, — это те, десятичное расширение 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 в системе счисления с основанием 10 , но и в любой другой системе счисления с целыми числами , такой как двоичная и шестнадцатеричная (см. Повторяющаяся десятичная система счисления § Расширение до других оснований ).
Действительное число , которое не является 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 несчетно , почти все действительные числа иррациональны. [1]
Рациональные числа можно формально определить как классы эквивалентности пар целых чисел ( p, q ), где q ≠ 0 , используя отношение эквивалентности, определяемое следующим образом:
Дробь тогда обозначает класс эквивалентности ( p, q ) . [6]
Рациональные числа вместе с сложением и умножением образуют поле , которое содержит 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 как подполе. Конечные расширения называются полями алгебраических чисел , а алгебраическое замыкание является полем алгебраических чисел . [7]
В математическом анализе рациональные числа образуют плотное подмножество действительных чисел. Действительные числа могут быть построены из рациональных чисел путем дополнения , с использованием последовательностей Коши , сечений Дедекинда или бесконечных десятичных дробей (см. Построение действительных чисел ).
Термин «рациональный» по отношению к множеству относится к тому факту, что рациональное число представляет собой отношение двух целых чисел. В математике «рациональный» часто используется как существительное, сокращающее «рациональное число». Прилагательное «рациональный» 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 — это матрица рациональных чисел; рациональный многочлен может быть многочленом с рациональными коэффициентами, хотя термин «многочлен 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, которая может быть параметризована рациональными функциями.
Хотя в настоящее время рациональные числа определяются в терминах отношений , термин рациональный не является производным от отношения . Напротив, именно отношение произошло от рационального : первое использование отношения в его современном значении было засвидетельствовано в английском языке около 1660 года, [8] в то время как использование рационального для определения чисел появилось почти на столетие раньше, в 1570 году. [9] Это значение рационального произошло от математического значения иррационального , которое впервые было использовано в 1551 году, и оно использовалось в «переводах Евклида (после его своеобразного использования ἄλογος )». [10] [11]
Эта необычная история возникла из-за того, что древние греки «избегали ереси, запрещая себе думать об этих [иррациональных] длинах как о числах». [12] Поэтому такие длины были иррациональными , в смысле нелогичными , то есть «о них нельзя было говорить» ( ἄλογος по-гречески). [13]
Каждое рациональное число может быть выражено единственным способом в виде несократимой дроби , где a и b — взаимно простые целые числа , причем b > 0. Это часто называют канонической формой рационального числа.
Исходя из рационального числа его каноническую форму можно получить, разделив a и b на их наибольший общий делитель и, если b < 0 , изменив знак получившегося числителя и знаменателя.
Любое целое число n можно выразить как рациональное число , которое является его канонической формой как рационального числа.
Если обе дроби находятся в канонической форме, то:
Если оба знаменателя положительны (особенно если обе дроби находятся в канонической форме):
С другой стороны, если какой-либо знаменатель отрицательный, то каждую дробь с отрицательным знаменателем необходимо сначала преобразовать в эквивалентную форму с положительным знаменателем, изменив знаки как числителя, так и знаменателя. [6]
Две дроби складываются следующим образом:
Если обе дроби находятся в канонической форме, результат находится в канонической форме тогда и только тогда, когда b, d являются взаимно простыми целыми числами . [6] [14]
Если обе дроби находятся в канонической форме, результат находится в канонической форме тогда и только тогда, когда b, d являются взаимно простыми целыми числами . [14]
Правило умножения следующее:
где результатом может быть сокращаемая дробь — даже если обе исходные дроби находятся в канонической форме. [6] [14]
Каждое рациональное число имеет аддитивное обратное число , часто называемое его противоположностью ,
Если находится в канонической форме, то же самое верно и для его противоположности.
Ненулевое рациональное число имеет мультипликативную инверсию , также называемую его обратной величиной ,
Если находится в канонической форме, то каноническая форма его обратной величины — это или в зависимости от знака a .
Если b, c, d не равны нулю, правило деления следующее:
Таким образом, деление на эквивалентно умножению на обратную величину [14]
Если n — неотрицательное целое число, то
Результат находится в канонической форме, 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 четное. В противном случае каноническая форма результата
Конечная цепная дробь — это выражение, такое как
где a n — целые числа. Каждое рациональное число можно представить в виде конечной цепной дроби, коэффициенты которой a n можно определить, применив алгоритм Евклида к ( a, b ) .
это разные способы представления одной и той же рациональной величины.
Рациональные числа могут быть построены как классы эквивалентности упорядоченных пар целых чисел . [6] [14]
Точнее, пусть будет множеством пар ( m, n ) целых чисел, таких, что n ≠ 0. Отношение эквивалентности определяется на этом множестве как
Сложение и умножение можно определить по следующим правилам:
Это отношение эквивалентности является отношением конгруэнтности , что означает, что оно совместимо с определенными выше сложением и умножением; множество рациональных чисел определяется как частное, заданное этим отношением эквивалентности, снабженное сложением и умножением, индуцированными вышеуказанными операциями. (Эта конструкция может быть выполнена с любой областью целочисленности и создает 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 (то есть эквивалентны) тогда и только тогда, когда
Это означает, что
тогда и только тогда, когда [6] [14]
Каждый класс эквивалентности может быть представлен бесконечным числом пар, поскольку
Каждый класс эквивалентности содержит уникальный канонический представительный элемент . Канонический представитель — это уникальная пара ( m, n ) в классе эквивалентности, такая, что m и n взаимно просты , и n > 0. Это называется представлением в наименьших членах рационального числа.
Целые числа можно считать рациональными числами, отождествляя целое число n с рациональным числом
На рациональных числах можно определить общий порядок , который расширяет естественный порядок целых чисел. Можно
Если
Множество всех рациональных чисел вместе с операциями сложения и умножения, показанными выше, образует поле . [6]
не имеет полевого автоморфизма , кроме тождественного. (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, таким образом, является тождественным.)
— это простое поле , которое является полем, не имеющим подполя, отличного от самого себя. [15] Рациональные числа — это наименьшее поле с нулевой характеристикой . Каждое поле нулевой характеристики содержит уникальное подполе, изоморфное
При определенном выше порядке является упорядоченным полем [14] , которое не имеет подполей, отличных от него самого, и является наименьшим упорядоченным полем в том смысле, что каждое упорядоченное поле содержит уникальное подполе , изоморфное
— это поле дробей целых чисел [16] Алгебраическое замыкание т.е. поле корней рациональных многочленов, является полем алгебраических чисел .
Рациональные числа представляют собой плотно упорядоченный набор: между любыми двумя рациональными числами находится еще одно, и, следовательно, бесконечно много других. [6] Например, для любых двух дробей таких, что
(где положительны), имеем
Любое полностью упорядоченное множество, которое является счетным, плотным (в указанном выше смысле) и не имеет наименьшего или наибольшего элемента, является порядково изоморфным рациональным числам. [17]
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 будет соответствовать рациональному числу. Однако этот метод демонстрирует форму избыточности, поскольку несколько различных точек сетки будут соответствовать одному и тому же рациональному числу; они выделены красным цветом на представленном графике. Очевидный пример можно увидеть в линии, идущей по диагонали к нижнему правому углу; такие отношения всегда будут равны 1, поскольку любое ненулевое число, деленное само на себя, всегда будет равно единице.
Можно сгенерировать все рациональные числа без подобных избыточностей: примерами служат дерево Калкина–Вильфа и дерево Штерна–Броко .
Поскольку множество всех рациональных чисел счетно, а множество всех действительных чисел (а также множество иррациональных чисел) несчетно, множество рациональных чисел является нулевым множеством , то есть почти все действительные числа являются иррациональными в смысле меры Лебега .
Рациональные числа являются плотным подмножеством действительных чисел ; каждое действительное число имеет рациональные числа, произвольно близкие к нему. [6] Связанное с этим свойство состоит в том, что рациональные числа являются единственными числами с конечными разложениями в виде правильных цепных дробей . [18]
В обычной топологии действительных чисел рациональные числа не являются ни открытым , ни замкнутым множеством . [19]
В силу своего порядка рациональные числа несут топологию порядка . Рациональные числа, как подпространство действительных чисел, также несут топологию подпространства . Рациональные числа образуют метрическое пространство с использованием метрики абсолютной разности , 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 характеризуются топологически как единственное счетное метризуемое пространство без изолированных точек . Пространство также полностью несвязно . Рациональные числа не образуют полное метрическое пространство , а действительные числа являются его завершением под метрикой выше . [14]
Помимо метрики абсолютного значения, упомянутой выше, существуют и другие метрики, которые превращают в топологическое поле:
Пусть p — простое число , и для любого ненулевого целого числа a пусть , где p n — наибольшая степень числа p, делящая a .
В дополнение к этому для любого рационального числа мы положим
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 на рациональных числах эквивалентно либо обычному действительному абсолютному значению, либо p -адическому абсолютному значению.