В математике двоично-рациональное или двоично-рациональное число — это число, которое можно выразить дробью, знаменатель которой является степенью двойки . Например, 1/2, 3/2 и 3/8 являются двоично-рациональными числами, а 1/3 — нет. Эти числа важны в информатике , поскольку они единственные, имеющие конечное двоичное представление . Двоично-рациональные числа также применяются в мерах и весах, музыкальных размерах и раннем математическом образовании. Они могут точно приближать любое действительное число .
Сумма, разность или произведение любых двух двоично-рациональных чисел — это другое двоично-рациональное число, заданное простой формулой. Однако деление одного двоично-рационального числа на другое не всегда дает двоично-рациональный результат. Математически это означает, что двоично-рациональные числа образуют кольцо , лежащее между кольцом целых чисел и полем рациональных чисел . Это кольцо можно обозначить .
В высшей математике двоично-рациональные числа играют центральную роль в конструкциях двоичного соленоида , функции вопросительного знака Минковского , вейвлетов Добеши , группы Томпсона , 2-группы Прюфера , сюрреальных чисел и сливаемых чисел . Эти числа изоморфны по порядку рациональным числам; они образуют подсистему 2-адических чисел , а также действительных чисел и могут представлять дробные части 2-адических чисел. Функции от натуральных чисел до двоично-рациональных чисел использовались для формализации математического анализа в обратной математике .
Многие традиционные системы мер и весов основаны на идее повторного деления пополам, что приводит к двоичным рациональным числам при измерении дробных количеств единиц. Дюйм обычно подразделяется на двоичные рациональные числа, а не на десятичное подразделение. [1] Привычные деления галлона на полгаллона, кварты , пинты и чашки также являются двоичными. [2] Древние египтяне использовали двоичные рациональные числа при измерении со знаменателем до 64. [3] Аналогично, системы весов цивилизации долины Инда по большей части основаны на повторном делении пополам; антрополог Хизер М.-Л. Миллер пишет, что «деление пополам — относительно простая операция с рычажными весами, поэтому, вероятно, так много весовых систем этого периода использовали двоичные системы». [4]
Двоичные рациональные числа являются центральными в информатике как тип дробных чисел, которым многие компьютеры могут манипулировать напрямую. [5] В частности, как тип данных, используемый компьютерами, числа с плавающей точкой часто определяются как целые числа, умноженные на положительные или отрицательные степени двойки. Числа, которые могут быть точно представлены в формате с плавающей точкой, такие как типы данных с плавающей точкой IEEE , называются его представимыми числами. Для большинства представлений с плавающей точкой представимые числа являются подмножеством двоичных рациональных чисел. [6] То же самое верно и для типов данных с фиксированной точкой , которые также неявно используют степени двойки в большинстве случаев. [7] Из-за простоты вычислений с двоичными рациональными числами они также используются для точных действительных вычислений с использованием интервальной арифметики , [8] и являются центральными для некоторых теоретических моделей вычислимых чисел . [9] [10] [11]
Генерация случайной величины из случайных битов за фиксированное время возможна только тогда, когда переменная имеет конечное число результатов, вероятности которых являются двоично-рациональными числами. Для случайных величин, вероятности которых не являются двоичными, необходимо либо аппроксимировать их вероятности двоично-рациональными числами, либо использовать процесс случайной генерации, время которого само по себе случайно и неограниченно. [12]
Тактовые размеры в западной музыкальной нотации традиционно записываются в форме, напоминающей дроби (например:2
2,4
4, или6
8), [13] хотя горизонтальная линия нотного стана, которая разделяет верхнюю и нижнюю цифры, обычно опускается при написании подписи отдельно от ее нотного стана. Как дроби они, как правило, являются диадическими, [14] хотя недиадические тактовые размеры также использовались. [15] Числовое значение подписи, интерпретируемое как дробь, описывает длину такта как долю целой ноты . Его числитель описывает количество долей в такте, а знаменатель описывает длину каждой доли. [13] [14]
В теориях развития концепции дроби в детстве, основанных на работе Жана Пиаже , дробные числа, возникающие из деления пополам и повторного деления пополам, являются одними из самых ранних форм дробей, которые развивались. [16] Этот этап развития концепции дробей был назван «алгоритмическим делением пополам». [17] Сложение и вычитание этих чисел можно выполнять шагами, которые включают только удвоение, деление пополам, добавление и вычитание целых чисел. Напротив, сложение и вычитание более общих дробей включает целочисленное умножение и факторизацию для достижения общего знаменателя. Поэтому для учащихся может быть проще вычислять двоичные дроби, чем более общие дроби. [18]
Двоичные числа — это рациональные числа , которые получаются в результате деления целого числа на степень двойки . [9] Рациональное число в простейшем смысле — это двоично-рациональное число, когда — степень двойки. [19] Другой эквивалентный способ определения двоично-рациональных чисел заключается в том, что они являются действительными числами , имеющими конечное двоичное представление . [9]
Сложение , вычитание и умножение любых двух двоичных рациональных чисел дает еще одно двоичное рациональное число согласно следующим формулам: [20]
Однако результат деления одного двоично-рационального числа на другое не обязательно является двоично-рациональным числом. [21] Например, 1 и 3 являются двоично-рациональными числами, но 1/3 — нет.
Каждое целое число и каждое полуцелое число являются двоично-рациональными числами. [22] Они оба соответствуют определению целого числа, деленного на степень двойки: каждое целое число является целым числом, деленным на единицу (нулевая степень двойки), а каждое полуцелое число является целым числом, деленным на два.
Каждое действительное число может быть произвольно близко аппроксимировано двоичными рациональными числами. В частности, для действительного числа рассмотрим двоичные рациональные числа вида , где может быть любым целым числом и обозначает функцию пола , которая округляет свой аргумент до целого числа. Эти числа аппроксимируются снизу с точностью до погрешности , которую можно сделать произвольно малой, выбрав произвольно большую. Для фрактального подмножества действительных чисел эта граница погрешности находится в пределах постоянного множителя оптимального: для этих чисел не существует приближения с погрешностью, меньшей, чем константа, умноженная на . [23] [24] Существование точных двоичных приближений можно выразить, сказав, что множество всех двоичных рациональных чисел плотно на действительной прямой . [22] Более строго, это множество равномерно плотно в том смысле, что двоичные рациональные числа со знаменателем равномерно распределены на действительной прямой. [9]
Двоичные рациональные числа — это именно те числа, которые обладают конечными двоичными разложениями . [9] Их двоичные разложения не являются уникальными; существует одно конечное и одно бесконечное представление каждого двоичного рационального числа, отличного от 0 (игнорируя терминальные нули). Например, 0,11 2 = 0,10111... 2 , что дает два различных представления для 3/4. [9] [25] Двоичные рациональные числа — это единственные числа, двоичные разложения которых не являются уникальными. [9]
Поскольку они замкнуты относительно сложения, вычитания и умножения, но не деления, двоичные рациональные числа являются кольцом , но не полем . [26] Кольцо двоичных рациональных чисел можно обозначить , что означает, что его можно сгенерировать путем вычисления многочленов с целыми коэффициентами при аргументе 1/2. [27] Как кольцо, двоичные рациональные числа являются подкольцом рациональных чисел и верхним кольцом целых чисел. [28] Алгебраически это кольцо является локализацией целых чисел относительно множества степеней двойки . [29]
Помимо формирования подкольца действительных чисел , двоично-рациональные числа образуют подкольцо 2-адических чисел , системы чисел, которая может быть определена из двоичных представлений, которые конечны справа от двоичной точки, но могут простираться бесконечно далеко влево. 2-адические числа включают все рациональные числа, а не только двоично-рациональные. Вложение двоично-рациональных чисел в 2-адические числа не меняет арифметику двоично-рациональных чисел, но придает им иную топологическую структуру, чем они имеют в качестве подкольца действительных чисел. Как и в действительных числах, двоично-рациональные числа образуют плотное подмножество 2-адических чисел [30] и являются множеством 2-адических чисел с конечными двоичными расширениями. Каждое 2-адическое число можно разложить на сумму 2-адического целого числа и двоично-рационального числа; В этом смысле двоичные рациональные числа могут представлять дробные части 2-адических чисел, но это разложение не является единственным. [31]
Сложение двоично-рациональных чисел по модулю 1 ( фактор-группа двоично-рациональных чисел по целым числам) образует 2-группу Прюфера . [32]
Рассмотрение только операций сложения и вычитания двоично-рациональных чисел дает им структуру аддитивной абелевой группы . Двойственность Понтрягина — это метод понимания абелевых групп путем построения дуальных групп, элементами которых являются характеры исходной группы, групповых гомоморфизмов в мультипликативную группу комплексных чисел , с поточечным умножением в качестве дуальной групповой операции. Дуальная группа аддитивных двоично-рациональных чисел, построенная таким образом, также может рассматриваться как топологическая группа . Она называется двоичным соленоидом и изоморфна топологическому произведению действительных чисел и 2-адических чисел, профакторизованных по диагональному вложению двоично-рациональных чисел в это произведение. [30] Это пример протора , соленоида и неразложимого континуума . [33]
Поскольку они являются плотным подмножеством действительных чисел, двоичные рациональные числа с их числовым порядком образуют плотный порядок . Как и в случае с любыми двумя неограниченными счетными плотными линейными порядками, по теореме Кантора об изоморфизме [34] двоичные рациональные числа порядково изоморфны рациональным числам. В этом случае функция вопросительного знака Минковского обеспечивает сохраняющую порядок биекцию между множеством всех рациональных чисел и множеством двоичных рациональных чисел. [35]
Двоичные рациональные числа играют ключевую роль в анализе вейвлетов Добеши , как набор точек, где масштабирующая функция этих вейвлетов не является гладкой. [26] Аналогично, двуличные рациональные числа параметризуют разрывы на границе между устойчивыми и неустойчивыми точками в пространстве параметров отображения Хенона . [36]
Множество кусочно-линейных гомеоморфизмов из единичного интервала в себя, которые имеют наклоны степени 2 и двоично-рациональные точки разрыва, образует группу под действием композиции функций . Это группа Томпсона , первый известный пример бесконечной, но конечно представленной простой группы . [37] Та же группа может быть также представлена действием на корневых бинарных деревьях, [38] или действием на двоично-рациональные числа внутри единичного интервала. [32]
В обратной математике один из способов построения действительных чисел — это представление их в виде функций от унарных чисел до двоичных рациональных чисел, где значение одной из этих функций для аргумента — двоичное рациональное число со знаменателем , который приближает данное действительное число. Определение действительных чисел таким образом позволяет доказать многие из основных результатов математического анализа в рамках ограниченной теории арифметики второго порядка, называемой «выполнимым анализом» (BTFA). [39]
Сюрреалистические числа генерируются с помощью принципа итерационного построения, который начинается с генерации всех конечных двоичных рациональных чисел, а затем переходит к созданию новых и странных видов бесконечных, бесконечно малых и других чисел. [40] Эта числовая система является основополагающей для теории комбинаторных игр , и двоичные рациональные числа естественным образом возникают в этой теории как набор значений определенных комбинаторных игр. [41] [42] [19]
Плавкие числа являются подмножеством двоичных рациональных чисел, замыканием множества под действием операции , ограниченного парами с . Они хорошо упорядочены , с типом порядка , равным числу эпсилон . Для каждого целого числа наименьшее плавкое число, которое больше, чем имеет вид . Существование для каждого не может быть доказано в арифметике Пеано , [43] и растет так быстро как функция от , что для оно (в обозначении Кнута со стрелкой вверх для больших чисел) уже больше, чем . [44]
Обычное доказательство леммы Урысона использует двоичные дроби для построения разделяющей функции из леммы.
Обратите внимание, что бинарные меры (2, 4, 8, 16) действительно очень распространены. Это особенно очевидно в случае с объемами.