有理数

有理数在英文中称作rational number，来自拉丁语rationalis，意为理性的；词根ratio，拉丁语意为理性、计算，而非英语之“比例”一词。[1]

有理数集对加、减、乘、除四则运算是封闭的，亦即有理數加、减、乘、除有理數的結果仍為有理數。有理数的加法和乘法如下：

${\displaystyle {\frac {a}{b}}+{\frac {c}{d}}={\frac {ad+bc}{bd}}\,\ \ \ \ \ \ {\frac {a}{b}}\cdot {\frac {c}{d}}={\frac {ac}{bd}}}$

两个有理数${\displaystyle {\frac {a}{b}}}$和${\displaystyle {\frac {c}{d}}}$相等当且仅当${\displaystyle ad=bc}$

有理数中存在加法和乘法的逆：

${\displaystyle -\left({\frac {a}{b}}\right)={\frac {-a}{b}}\,\ \ \ \ \ \ \ \ a\neq 0}$时，${\displaystyle \left({\frac {a}{b}}\right)^{-1}={\frac {b}{a}}}$

古埃及分数是分子为1、分母为正整数的有理数。每个有理数都可以表达为有限个两两不等的古埃及分数的和。例如：

${\displaystyle {\frac {5}{7}}={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{6}}+{\frac {1}{21}}}$

对于给定的正有理数，存在无穷多种表达成有限个两两不等的古埃及分数之和的方法。

数学上可以将有理数定义为建立在整数的有序对上${\displaystyle \left(a,b\right)}$的等价类，这里${\displaystyle b,d}$不为零。我们可以对这些有序对定义加法和乘法，规则如下：

${\displaystyle \left(a,b\right)+\left(c,d\right)=\left(ad+bc,bd\right)}$

${\displaystyle \left(a,b\right)\times \left(c,d\right)=\left(ac,bd\right)}$

为了使${\displaystyle {\frac {2}{4}}={\frac {1}{2}}}$，定义等价关系${\displaystyle \sim }$如下：

${\displaystyle \left(a,b\right)\sim \left(c,d\right){\mbox{ iff }}ad=bc}$

这种等价关系与上述定义的加法和乘法上是一致的，而且可以将Q定义为整数有序对关于等价关系~的商集：${\displaystyle \mathbb {Q} =\mathbb {Z} \times (\mathbb {Z} -\{0\})/\sim }$。例如：两个对${\displaystyle (a,b)}$和${\displaystyle (c,d)}$是相同的，如果它们满足上述等式。（这种构建可用于任何整数环，参见商域。）

Q上的全序关系可以定义为：

${\displaystyle \left(a,b\right)\leq \left(c,d\right)}$当且仅当

1. ${\displaystyle bd>0}$并且${\displaystyle ad\leq bc}$
2. ${\displaystyle bd<0}$并且${\displaystyle ad\geq bc}$

有理数集是可数的

集合${\displaystyle \mathbb {Q} }$，以及上述的加法和乘法运算，构成域，即整数${\displaystyle \mathbb {Z} }$的商域。

有理数是特征为0的域最小的一个：所有其他特征为0的域都包含${\displaystyle \mathbb {Q} }$的一个拷贝（即存在一个从${\displaystyle \mathbb {Q} }$到其中的同构映射）。

${\displaystyle \mathbb {Q} }$的代数闭包，例如有理数多项式的根的域，是代数数域。

所有有理数的集合是可数的，亦即是說${\displaystyle \mathbb {Q} }$的基數（或勢）與自然數集合${\displaystyle \mathbb {N} }$相同，都是阿列夫數${\displaystyle \aleph _{0}}$，這是因為可以定義一個從有理數集${\displaystyle \mathbb {Q} }$映至自然數集合的笛卡爾積 ${\displaystyle \mathbb {N} \times \mathbb {N} }$的單射函數，而${\displaystyle \mathbb {N} \times \mathbb {N} }$是可數集合之故。因为所有实数的集合是不可数的，所以从勒贝格测度来看，可以认为绝大多数实数不是有理数。

有理数是个稠密的集合：任何两个有理数之间存在另一个有理数，事实上是存在无穷多个。

有理数是实数的紧密子集：每个实数都有任意接近的有理数。一个相关的性质是，僅有理数可化為有限连分数。

依照它们的序列，有理数具有一个序拓扑。有理数是实数的（稠密）子集，因此它同时具有一个子空间拓扑。采用度量${\displaystyle d\left(x,y\right)=|x-y|}$，有理数构成一个度量空间，这是${\displaystyle \mathbb {Q} }$上的第三个拓扑。幸运的是，所有三个拓扑一致并将有理数转化到一个拓扑域。有理数是非局部紧致空间的一个重要的实例。这个空间也是完全不连通的。有理数不构成完备的度量空间；实数是${\displaystyle \mathbb {Q} }$的完备集。

除了上述的绝对值度量，还有其他的度量将${\displaystyle \mathbb {Q} }$转化到拓扑域：

设${\displaystyle p}$是素数，对任何非零整数${\displaystyle a}$设${\displaystyle |a|_{p}=p^{-n}}$，这里${\displaystyle p^{n}}$是整除${\displaystyle a}$的${\displaystyle p}$的最高次幂；

另外${\displaystyle |0|_{p}=0}$。对任何有理数${\displaystyle {\frac {a}{b}}}$，设${\displaystyle \left|{\frac {a}{b}}\right|_{p}={\frac {|a|_{p}}{|b|_{p}}}}$。

则${\displaystyle d_{p}\left(x,y\right)=|x-y|_{p}}$在${\displaystyle \mathbb {Q} }$上定义了一个度量。

度量空间${\displaystyle \left(\mathbb {Q} ,d_{p}\right)}$不完备，它的完备集是p进数域${\displaystyle \mathbb {Q} _{p}}$。

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