stringtranslate.com

Рациональное число

Рациональные числа ⁠ ⁠ входят 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, ). Множество всех рациональных чисел, также называемых « 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 . 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 десятичной системы счисления , но и для любой другой целочисленной системы счисления , например, двоичной и шестнадцатеричной (см. раздел Повторение десятичной дроби § Расширение до других оснований ).

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 является полем 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

Термин «рациональное» 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 матрицаматрица рациональных чисел; рациональный многочлен может 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

Хотя в настоящее время рациональные числа определяются в терминах отношений , термин «рациональный» не является производным от отношения . Напротив, именно отношение является производным от рационального : первое использование отношения в его современном значении было засвидетельствовано в английском языке около 1660 года, [8] тогда как использование рационального для определения 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

Несократимая дробь

Каждое рациональное число можно выразить уникальным образом в виде неприводимой дроби ⁠ ⁠, где a и bвзаимно 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

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

Равенство

если и только если

Если обе дроби имеют каноническую форму, то:

тогда и только тогда и только тогда и [6]

Заказ

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]

Добавление

Две фракции складываются следующим образом:

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

Вычитание

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

Умножение

Правило умножения следующее:

где результатом может быть сокращаемая дробь , даже если обе исходные дроби имеют каноническую форму. [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 мультипликативное обратное , также называемое обратным ,

Если ⁠ ⁠ находится в канонической форме, то каноническая форма его обратной величины равна либо ⁠ ⁠, либо ⁠ ⁠ 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 степень в целую степень

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

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

Это разные способы представления одной и той же рациональной ценности.

Формальная конструкция

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 набором 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, ⁠ ⁠ снабжено сложением и умножением, вызванными вышеуказанными операциями. (Эта конструкция может быть осуществлена ​​с любой областью целочисленности и дает ее поле частных .) [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

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 единственная пара ( m, n ) в классе эквивалентности такая, что m и n взаимно просты и 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 , расширяющий естественный порядок целых чисел. Надо

Если

Характеристики

Множество ⁠ ⁠ 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 нулевой характеристикой . Каждое поле нулевой характеристики содержит единственное подполе, изоморфное ⁠ ⁠

С порядком, определенным выше, ⁠ ⁠ является упорядоченным полем [14] , которое не имеет никаких подполей , кроме самого себя, и является наименьшим упорядоченным полем в том смысле, что каждое упорядоченное поле содержит уникальное подполе, изоморфное

⁠ ⁠поле частных целых чисел. ⁠ ⁠ [16] Алгебраическое замыкание ⁠ ⁠ , т . е . поле корней рациональных многочленов, — это поле 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 положительные), 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

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 избыточность, 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

Рациональные числа представляют собой плотное подмножество действительных чисел ; каждое действительное число имеет сколь угодно близкие к нему рациональные числа. [6] Связанное с этим свойство заключается в том, что рациональные числа — единственные числа с конечными разложениями 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 метрику 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 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 при указанной выше метрике . [14]

п-адические числа

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

Пусть pпростое число и для любого ненулевого целого числа a пусть где p n — высшая степень числа p , делящая a .

Кроме того, установите Для любого рационального числа 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 рациональных чисел ⁠ ⁠ эквивалентно либо обычному вещественному абсолютному значению, либо p - адическая абсолютная величина.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб 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. ^ abcdefghijklm 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.Коэффициент входа , n. , 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.Вход иррационален , а. и н. , смысл 3.
  11. ^ Шор, Питер (9 мая 2017 г.). «Разумное 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. ^ abcdefghi «Дробь - Математическая энциклопедия». энциклопедияofmath.org . Проверено 17 августа 2021 г.
  15. ^ Сугаккай, Нихон (1993). Энциклопедический словарь математики, 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

Внешние ссылки