無理數的產生是十進制的侷限嗎?該怎麼理解?

小生166919353


無理數的產生,可以說是歷史的必然,與採用什麼進制沒有關係。

可公度

古希臘的數學非常發達,以畢達哥拉斯學派最為有名。畢達哥拉斯曾遊歷多國。學識非常淵博,他後來招收了300多弟子(有點類似於孔子)。畢達哥拉斯學派對數學貢獻很大,其中最著名的就是畢達哥拉斯定理(勾股定理),據說當時曾屠殺了一百頭牛擺宴慶祝,所以畢達哥拉斯定理也被稱為百牛定理。

畢達哥拉斯學派提倡一種唯數論的哲學觀,認為宇宙間的本質是數的和諧,一切事物都必須而且只能通過數學得到解釋。該學派的信條是,宇宙間的一切現象都可以歸結為整數或整數與整數的比(可公度)。例如任意兩條不相等的線段,總有一個最大的公度線段,利用的工具是圓規,方法其實就是輾轉相除法(更相減損法)。如下圖中AB與CDG兩條線段,求其最大公度線段。

步驟
1、在線段AB上用圓規從一端A起,連續截取長度為CD的線段,使截取的次數儘可能的多。若沒有剩餘則CD就是最大公度線段;若有剩餘,則設剩餘線段為EB(EB

2、在線段CD上,連續截取長度為EB的線段,若沒有剩餘則EB就是最大公度線段;若有剩餘,則設剩餘線段為FD(FD

3、在線段CF上,連續截取長度為FD的線段,正好沒有剩餘。

不可公度

畢達哥拉斯學派的一個成員希帕索斯通過邏輯推理的方式發現:等腰直角三角形的斜邊與其直角邊是不存在最大公度線段的,也就是等腰直角三角形中三角斜邊與直角邊是不能用整數比表示的。

在上邊這個圖中,AD=AC,過點D做DE垂直於AB交CB於點E。角ECD=角EDC,三角形EDB也是等腰直角三角形,所以線段CE=ED=BD(也就是相當於用圓規進行了截取),於是問題轉化成為求取線段EB與ED的最大公度線段問題。由於在直角三角形中斜邊總是大於直角邊的,所以這個過程可以無限進行下去,是沒有頭的,也就是最初的線段AB與AC是不存在公度線段的。希帕索斯正因為發現了這個事情(客觀上也就是發現了無理數),所以被沉在了海里。

無理數與進制無關

通過上面的故事,大家可以發現,無理數其實與使用何種進制是沒有關係的。就好比用二進制表示根號2也是無法表示成分數一樣,如果表示成二進制小數與是無限不循環的。


多元視角


我發現非常多的人把有理數/無理數和進制或者無限小數混為一談。這樣的問題被提出,恰恰說明我們的中小學數學教育,至少教材,是有問題的。

我們的教材或老師,用是否為(十進制)無限不循環小數來定義有理數/無理數,是非常不好的。雖然並不錯,但很容易誤導學生。

數學史上有理數無理數的定義是古希臘人在2500年前就完成的,下面這個定義和小數或進制半毛錢關係都沒有:

有理數就是能表示成整數分數的數(或稱可分數),無理數就是不能表示成整數分數的數(或稱不可分數)

這個定義是純數論的,和小數表示法(不論什麼進制)都毫無關係。

實際上畢達哥拉斯時代的古希臘曾認為所有數都是可分數,直到他學生運用他的畢達哥拉斯定理(勾股定理)發現√2不可以表示為分數!才不得不把這些不能表示為分數的數稱為“沒有道理的數”。特別註釋一點:那個時候古希臘還沒有使用十進制,他們是用代數和數論這種更為本質的方法在理解什麼是“數”。

當然,我們很容易證明,在任何進制下,一個有限小數或無限循環小數,都一定可以表示為分數:n進制下任何一個k位循環小數都可表示為該k位數字/(n^k-1),

比如十進制裡的6位循環小數:

0.142857…

=142857/(10^6-1)

=142857/999999

=1/7

(注:上述證明可作為小學奧數習題)

-------

補充:證明任何整分數都是有限或無限循環小數。

在n進制下,分數p/q的每個數位的計算,從小數點後開始,都可以看作是r(i)/q,其中r(i)

顯然,任何一個分數p/q的循環部分在任何進制下都不會超過q位。不過可以在某個進制下為有限小數,另一個進制下為無限循環小數。

最簡分數p/q(pq互素)在n進制下為有限小數的充要條件是q的所有不同素因子為n的素因子的子集。比如十進制下就是要求q=2^a * 5^b

-------

同樣,我們可以證明上述的√2是無理數,比如:反證如果√2為有理數,令√2=p/q,pq為互素的整數,則p²=2*q²,於是p必為偶數,令p=2n,則2=p²/q²=4n²/q²,即q²=2n²,所以q也是偶數,pq同為偶數與反設(互素)矛盾,故√2不可能表示為分數,只能是無理數。

(注,這是2300多年前亞里士多德總結的經典證明,也可以作為小學奧數習題)

19世紀的大數學家康托爾在創立集合論時漂亮的證明了“無理數遠比有理數更多”。這裡用到了無窮集合比大小的“一一對應法則”,是每一個大學數學系學生學習數學分析的必修內容。如果不瞭解又感興趣,可以去查找“康托爾的對角線方法”,非常精彩,也非常簡潔。

(注:高三參加奧數國家集訓隊時講過這道題,並考了一道用類似方法可證的:無窮集合冪集>原無窮集)

無理數里又會進一步分成“代數數”和“超越數”,代數數,是指該數是某個整係數多項式方程的根,比如½(1±√5),就是x²=x+1的根(熟悉的童鞋一定一眼看出這就是著名的斐波那契數列的特徵方程)

我們熟知的數學常數π和e,不但是無理數,也是超越數(即不是任何一個整係數多項式方程的根),這個證明就非常有挑戰性了,不太可能用初等方法做到。

如果還想再進一步瞭解有理數和無理數的數學意義,還可以去看看戴德金用“比大小的劃分”來定義實數,用該“劃分”是否有上/下確界來定義有理數/無理數。


帖木兒


"無理數"?"產生"?"十進制"?一一一"十進制"之隹人,隹之,不能產生自然平衡,至於有,無理數?基本得出一個概念。什麼是"理念"?一一一"真理"嗎?中國人只說巜易理》,擬乎"真理"是西方黑格爾哲學產生的!列位中國古稱"十六兩制"改制用西方文化"十進制"公斤稱,是中國走向進步,還是在自否真學問?黑格爾說中國無哲學?黑格爾知巜易上下辭》嗎?"天一地二,天三地四,天五地六,天七地八,天九地十"這不是"十進制"又是什麼?1➗1、0125=有;無理數!"產生"!"無理數"!"十隹之進制"!《易》難"真理"。


手機用戶5534444811


本文之解答,且作《無理數的本質》,得益於追問無理數的物理意義,旋轉是運動的基本形式。

先來看無理數√2的產生。在平面直角座標系的第一象限上,以單位1畫圓,可得到長π/2的圓弧與等腰三角形,等腰三角形的底是圓弧的弦。底與弧,是孿生姐妹。

即旋轉θ=90°,就有弧π/2與弦√2,是差距不大的孿生無理數。以下推而廣之:

若旋轉θ=30°,就有π/6與√?,是差距較小的的孿生無理數。

若旋轉足夠小角度θ=Δ:就有π/∞=Δ可以相等的孿生無理數。


由此可見:圓周率分割的無理數與二次方根下的無理數,總是一對孿生無理數。可推:無理數來自旋轉操作,有理數來自直線操作。

換句話說:二次方根是二維操作的低級無理數,一次方根,是一維操作的有理數。

不難證明:三次方根是三維操作的中級無理數,四次方根是四維操作的高級無理數。超四維操作,就叫超級無理數吧。

無獨有偶,自然常數e,作為無理數,也是來自旋轉,是以半徑為1之單位圓的外展。


因此,所有的無理數,都只與旋轉操作有關,與進制,諸如十進制、二進制、八進制、六十進制等,是沒有關係的。

好了,本答stop here。請關注物理新視野,共同切磋物理邏輯與中英雙語的疑難問題。


物理新視野


無理數的產生,

無理數的產生與“平面幾何”開平方,有密切關聯,

√2,√3,√5,√7,√11都是著名的無理數。

π也是著名的無理數,

有理數可以為p/q, p,q均為整數

這類無理數都源於理想平直平面

在物理世界普朗克尺度是量子化的,也不存在絕對理想平直的平面,

實驗物理學裡其實無理數是一個人為的存在。


AUTUYG


進制之間只是逢二進一,和逢十進一的區別。都是1+1+1+1的,任何進制都會存在無限不循環的數,任何無限不循環的數在任何進制中都是無限不循環的。按小數轉換成分數的方法你倒可以想一下,一個進制中無限循環的小數怎樣用另一個進制中有限位的數表示。


就像wo


某數是否無理數或有理數與進制無關。

定理一: 某一數在某一進制是無理數,則用其它進制也是無理數。

定理二: 某一數在某一進制是有理數,則用其它進制也是有理數。

天天瞎幻想折騰的人,歇息吧。


溫情憶鴻564


其實”位值制”僅與數論有點關係,在數學中,它並不佔什麼重要的位置。


老堪69294438688


有理數就是能表示整數與整數相除。


科技創客243294038


當然羅,絕對是


分享到:


相關文章: