无理数的产生是十进制的局限吗?该怎么理解?

小生166919353


无理数的产生,可以说是历史的必然,与采用什么进制没有关系。

可公度

古希腊的数学非常发达,以毕达哥拉斯学派最为有名。毕达哥拉斯曾游历多国。学识非常渊博,他后来招收了300多弟子(有点类似于孔子)。毕达哥拉斯学派对数学贡献很大,其中最著名的就是毕达哥拉斯定理(勾股定理),据说当时曾屠杀了一百头牛摆宴庆祝,所以毕达哥拉斯定理也被称为百牛定理。

毕达哥拉斯学派提倡一种唯数论的哲学观,认为宇宙间的本质是数的和谐,一切事物都必须而且只能通过数学得到解释。该学派的信条是,宇宙间的一切现象都可以归结为整数或整数与整数的比(可公度)。例如任意两条不相等的线段,总有一个最大的公度线段,利用的工具是圆规,方法其实就是辗转相除法(更相减损法)。如下图中AB与CDG两条线段,求其最大公度线段。

步骤
1、在线段AB上用圆规从一端A起,连续截取长度为CD的线段,使截取的次数尽可能的多。若没有剩余则CD就是最大公度线段;若有剩余,则设剩余线段为EB(EB

2、在线段CD上,连续截取长度为EB的线段,若没有剩余则EB就是最大公度线段;若有剩余,则设剩余线段为FD(FD

3、在线段CF上,连续截取长度为FD的线段,正好没有剩余。

不可公度

毕达哥拉斯学派的一个成员希帕索斯通过逻辑推理的方式发现:等腰直角三角形的斜边与其直角边是不存在最大公度线段的,也就是等腰直角三角形中三角斜边与直角边是不能用整数比表示的。

在上边这个图中,AD=AC,过点D做DE垂直于AB交CB于点E。角ECD=角EDC,三角形EDB也是等腰直角三角形,所以线段CE=ED=BD(也就是相当于用圆规进行了截取),于是问题转化成为求取线段EB与ED的最大公度线段问题。由于在直角三角形中斜边总是大于直角边的,所以这个过程可以无限进行下去,是没有头的,也就是最初的线段AB与AC是不存在公度线段的。希帕索斯正因为发现了这个事情(客观上也就是发现了无理数),所以被沉在了海里。

无理数与进制无关

通过上面的故事,大家可以发现,无理数其实与使用何种进制是没有关系的。就好比用二进制表示根号2也是无法表示成分数一样,如果表示成二进制小数与是无限不循环的。


多元视角


我发现非常多的人把有理数/无理数和进制或者无限小数混为一谈。这样的问题被提出,恰恰说明我们的中小学数学教育,至少教材,是有问题的。

我们的教材或老师,用是否为(十进制)无限不循环小数来定义有理数/无理数,是非常不好的。虽然并不错,但很容易误导学生。

数学史上有理数无理数的定义是古希腊人在2500年前就完成的,下面这个定义和小数或进制半毛钱关系都没有:

有理数就是能表示成整数分数的数(或称可分数),无理数就是不能表示成整数分数的数(或称不可分数)

这个定义是纯数论的,和小数表示法(不论什么进制)都毫无关系。

实际上毕达哥拉斯时代的古希腊曾认为所有数都是可分数,直到他学生运用他的毕达哥拉斯定理(勾股定理)发现√2不可以表示为分数!才不得不把这些不能表示为分数的数称为“没有道理的数”。特别注释一点:那个时候古希腊还没有使用十进制,他们是用代数和数论这种更为本质的方法在理解什么是“数”。

当然,我们很容易证明,在任何进制下,一个有限小数或无限循环小数,都一定可以表示为分数:n进制下任何一个k位循环小数都可表示为该k位数字/(n^k-1),

比如十进制里的6位循环小数:

0.142857…

=142857/(10^6-1)

=142857/999999

=1/7

(注:上述证明可作为小学奥数习题)

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补充:证明任何整分数都是有限或无限循环小数。

在n进制下,分数p/q的每个数位的计算,从小数点后开始,都可以看作是r(i)/q,其中r(i)

显然,任何一个分数p/q的循环部分在任何进制下都不会超过q位。不过可以在某个进制下为有限小数,另一个进制下为无限循环小数。

最简分数p/q(pq互素)在n进制下为有限小数的充要条件是q的所有不同素因子为n的素因子的子集。比如十进制下就是要求q=2^a * 5^b

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同样,我们可以证明上述的√2是无理数,比如:反证如果√2为有理数,令√2=p/q,pq为互素的整数,则p²=2*q²,于是p必为偶数,令p=2n,则2=p²/q²=4n²/q²,即q²=2n²,所以q也是偶数,pq同为偶数与反设(互素)矛盾,故√2不可能表示为分数,只能是无理数。

(注,这是2300多年前亚里士多德总结的经典证明,也可以作为小学奥数习题)

19世纪的大数学家康托尔在创立集合论时漂亮的证明了“无理数远比有理数更多”。这里用到了无穷集合比大小的“一一对应法则”,是每一个大学数学系学生学习数学分析的必修内容。如果不了解又感兴趣,可以去查找“康托尔的对角线方法”,非常精彩,也非常简洁。

(注:高三参加奥数国家集训队时讲过这道题,并考了一道用类似方法可证的:无穷集合幂集>原无穷集)

无理数里又会进一步分成“代数数”和“超越数”,代数数,是指该数是某个整系数多项式方程的根,比如½(1±√5),就是x²=x+1的根(熟悉的童鞋一定一眼看出这就是著名的斐波那契数列的特征方程)

我们熟知的数学常数π和e,不但是无理数,也是超越数(即不是任何一个整系数多项式方程的根),这个证明就非常有挑战性了,不太可能用初等方法做到。

如果还想再进一步了解有理数和无理数的数学意义,还可以去看看戴德金用“比大小的划分”来定义实数,用该“划分”是否有上/下确界来定义有理数/无理数。


帖木兒


"无理数"?"产生"?"十进制"?一一一"十進制"之隹人,隹之,不能产生自然平衡,至于有,无理数?基本得出一个概念。什么是"理念"?一一一"真理"嗎?中国人只说巜易理》,拟乎"真理"是西方黑格尔哲学产生的!列位中国古称"十六两制"改制用西方文化"十进制"公斤称,是中国走向进步,还是在自否真学问?黑格尔说中国无哲学?黑格尔知巜易上下辞》嗎?"天一地二,天三地四,天五地六,天七地八,天九地十"这不是"十進制"又是什么?1➗1、0125=有;无理数!"产生"!"无理数"!"十隹之進制"!《易》难"真理"。


手机用户5534444811


本文之解答,且作《无理数的本质》,得益于追问无理数的物理意义,旋转是运动的基本形式。

先来看无理数√2的产生。在平面直角坐标系的第一象限上,以单位1画圆,可得到长π/2的圆弧与等腰三角形,等腰三角形的底是圆弧的弦。底与弧,是孪生姐妹。

即旋转θ=90°,就有弧π/2与弦√2,是差距不大的孪生无理数。以下推而广之:

若旋转θ=30°,就有π/6与√?,是差距较小的的孪生无理数。

若旋转足够小角度θ=Δ:就有π/∞=Δ可以相等的孪生无理数。


由此可见:圆周率分割的无理数与二次方根下的无理数,总是一对孪生无理数。可推:无理数来自旋转操作,有理数来自直线操作。

换句话说:二次方根是二维操作的低级无理数,一次方根,是一维操作的有理数。

不难证明:三次方根是三维操作的中级无理数,四次方根是四维操作的高级无理数。超四维操作,就叫超级无理数吧。

无独有偶,自然常数e,作为无理数,也是来自旋转,是以半径为1之单位圆的外展。


因此,所有的无理数,都只与旋转操作有关,与进制,诸如十进制、二进制、八进制、六十进制等,是没有关系的。

好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。


物理新视野


无理数的产生,

无理数的产生与“平面几何”开平方,有密切关联,

√2,√3,√5,√7,√11都是著名的无理数。

π也是著名的无理数,

有理数可以为p/q, p,q均为整数

这类无理数都源于理想平直平面

在物理世界普朗克尺度是量子化的,也不存在绝对理想平直的平面,

实验物理学里其实无理数是一个人为的存在。


AUTUYG


进制之间只是逢二进一,和逢十进一的区别。都是1+1+1+1的,任何进制都会存在无限不循环的数,任何无限不循环的数在任何进制中都是无限不循环的。按小数转换成分数的方法你倒可以想一下,一个进制中无限循环的小数怎样用另一个进制中有限位的数表示。


就像wo


某数是否无理数或有理数与进制无关。

定理一: 某一数在某一进制是无理数,则用其它进制也是无理数。

定理二: 某一数在某一进制是有理数,则用其它进制也是有理数。

天天瞎幻想折腾的人,歇息吧。


温情忆鸿564


其实”位值制”仅与数论有点关系,在数学中,它并不占什么重要的位置。


老堪69294438688


有理数就是能表示整数与整数相除。


科技创客243294038


当然罗,绝对是


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