stringtranslate.com

Рациональное число

Рациональные числа ⁠ ⁠ включены в действительные числа ⁠ ⁠ , которые включены в комплексные числа ⁠ ⁠ , в то время как 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, ). 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 ).

Терминология

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.

Этимология

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]

Арифметика

Несократимая дробь

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.

Вложение целых чисел

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

Равенство

если и только если

Если обе дроби находятся в канонической форме, то:

тогда и только тогда, когда и [6]

Заказ

Если оба знаменателя положительны (особенно если обе дроби находятся в канонической форме):

если и только если

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]

Добавление

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]

Вычитание

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]

Умножение

Правило умножения следующее:

где результатом может быть сокращаемая дробь — даже если обе исходные дроби находятся в канонической форме. [6] [14]

Обратный

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 .

Разделение

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

Таким образом, деление ⁠ ⁠ на ⁠ ⁠ эквивалентно умножению ⁠ ⁠ на обратную величину ⁠ ⁠ [14]

Возведение в целую степень

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 ⁠ ⁠

Представление непрерывной дроби

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 ) .

Другие представления

это разные способы представления одной и той же рациональной величины.

Формальное строительство

Диаграмма, показывающая представление эквивалентных классов пар целых чисел.

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

[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 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

Характеристики

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]

Счётность

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 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 .

Действительные числа и топологические свойства

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]

п-адические числа

Помимо метрики абсолютного значения, упомянутой выше, существуют и другие метрики, которые превращают ⁠ ⁠ в топологическое поле:

Пусть pпростое 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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Rosen, Kenneth (2007). Дискретная математика и ее приложения (6-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 105, 158–160. ISBN 978-0-07-288008-3.
  2. ^ Ласс, Гарри (2009). Элементы чистой и прикладной математики (иллюстрированное издание). Courier Corporation. стр. 382. ISBN 978-0-486-47186-0.Выдержка из страницы 382
  3. ^ Робинсон, Джулия (1996). Собрание сочинений Джулии Робинсон. Американское математическое общество. стр. 104. ISBN 978-0-8218-0575-6.Выдержка из страницы 104
  4. ^ "Рациональное число". Encyclopedia Britannica . Получено 2020-08-11 .
  5. ^ Weisstein, Eric W. "Рациональное число". Wolfram MathWorld . Получено 11 августа 2020 г.
  6. ^ abcdefghijklm Биггс, Норман Л. (2002). Дискретная математика . Индия: Oxford University Press. С. 75–78. ISBN 978-0-19-871369-2.
  7. ^ Гилберт, Джимми; Линда, Гилберт (2005). Элементы современной алгебры (6-е изд.). Белмонт, Калифорния: Thomson Brooks/Cole. стр. 243–244. ISBN 0-534-40264-X.
  8. Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989.Коэффициент входа , сущ. , смысл 2.а.
  9. Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989.Рациональная запись , а. (нареч.) и сущ. 1 , смысл 5.а.
  10. Оксфордский словарь английского языка (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. 1989.Запись иррациональная , а. и сущ. , смысл 3.
  11. ^ Шор, Питер (2017-05-09). "Происходит ли рациональное из соотношения или соотношение происходит из рационального". Stack Exchange . Получено 2021-03-19 .
  12. ^ Кулман, Роберт (29.01.2016). «Как математическое суеверие оглупляло алгебру на протяжении более тысячи лет» . Получено 20.03.2021 .
  13. ^ Крамер, Эдна (1983). Природа и развитие современной математики . Princeton University Press. стр. 28.
  14. ^ abcdefghi "Дробь - Энциклопедия математики". encyclopediaofmath.org . Получено 2021-08-17 .
  15. Sūgakkai, Nihon (1993). Энциклопедический словарь математики, том 1. Лондон, Англия: MIT Press. стр. 578. ISBN 0-2625-9020-4.
  16. ^ Бурбаки, Н. (2003). Алгебра II: Главы 4 - 7. Springer Science & Business Media. стр. A.VII.5.
  17. ^ Гизе, Мартин; Шёнегг, Арно (декабрь 1995 г.). Любые два счетных плотно упорядоченных множества без конечных точек изоморфны — формальное доказательство с помощью KIV (PDF) (Технический отчет) . Получено 17 августа 2021 г.
  18. ^ Энтони Ваззана; Дэвид Гарт (2015). Введение в теорию чисел (2-е, исправленное издание). CRC Press. стр. 1. ISBN 978-1-4987-1752-6.Выдержка из страницы 1
  19. ^ Ричард А. Холмгрен (2012). Первый курс по дискретным динамическим системам (2-е, иллюстрированное издание). Springer Science & Business Media. стр. 26. ISBN 978-1-4419-8732-7.Выдержка из страницы 26
  20. ^ Weisstein, Eric W. "p-adic Number". Wolfram MathWorld . Получено 17 августа 2021 г.

Примечания

Внешние ссылки