無理數
無理數是指除有理数以外的实数,當中的「理」字来自于拉丁语的rationalis,意思是「理解」,实际是拉丁文对于logos「说明」的翻译,是指无法用两个整数的比来说明一个无理数。
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非有理數之實數,不能寫作兩整數之比。若將它寫成小數形式,小數點之後的數字有無限多個,並且不會循環,即无限不循环小数(任何有限或无限循环小数可被表示称两个整数的比)。常見的無理數有大部分的平方根、π和e(其中後兩者同時為超越數)等。無理數的另一特徵是無限的連分數表達式。
傳說中,无理数最早由畢達哥拉斯學派弟子希伯斯发现。他以幾何方法證明無法用整数及分數表示。而畢達哥拉斯深信任意数均可用整数及分数表示,不相信無理數的存在。後來希伯斯触犯学派章程,将无理数透露给外人,因而被扔进海中处死,其罪名竟然等同于“渎神”。另見第一次數學危機。
無理數可以通過有理數的分划的概念進行定義。
举例
- 圓周率=3.14159265358979323846264338327950288419716939937510582097494459230781640628620899...
不知是否是無理數的數
、等,事实上,對于任何非零整數及,不知道是否無理數。
無理數與無理數的四則運算的結果往往不知道是否無理數,只有、等除外。
無理數集的特性
無理數集是不可數集(因有理數集是可數集而實數集是不可數集)。無理數集是個不完備的拓撲空間,它是與所有正數數列的集拓撲同構的,當中的同構映射是無理數的連分數開展。因而贝尔纲定理可以應用在無數間的拓撲空間上。
無理化作連分數的表達式
- ,
選取一個正的實數使得
- 。
經由遞迴處理
一些無理數的證明
證明是无理数
证:
假设是有理数,并且令,是最简分数。
两边平方,得到。将此式改写为,可见为偶数。
因为平方运算保持奇偶性,所以只能为偶数。设,其中为整数。
代入可得。同理可得亦为偶数。
这与为最简分数的假设矛盾, 所以是有理数的假设不成立。
證明是无理数
證:
假設是有理數,兩邊平方得到
其中因為是有理數,所以也是有理數。
透過證明為無理數的方法,其中為一非完全平方数
可以證明是無理數
同樣也推出是無理數
但這又和是有理數互相矛盾
所以是一無理數
證明是无理数
證:
同樣,假設是有理數,兩邊平方後得到
,
於是是有理數。兩邊再次平方,得:
,
於是
由於是有理數,所以
透過證明形如的數是無理數的方法,得出也是一無理數
但這結果明顯和與皆為有理數出現矛盾,故為無理數
另一種證明:
同樣假設是有理數,
,兩邊平方:
透過證明形如的數是無理數的方法,得出是一無理數
也是矛盾的。
證明是无理数
證:
,兩邊平方得到:
,得到為一有理數
,兩邊繼續平方:
由於,皆為有理數
設,亦為有理數
透過證明形如的數是無理數的方法,可知為無理數
這和是有理數衝突
所以得證為一無理數
外部連結
- 從畢氏學派到歐氏幾何的誕生,蔡聰明,有畢氏弄石法的證明
- 是無理數的六個證明,香港大學數學系蕭文強(Mathematical Excalibur Vol.3 No.1 Page 2)
- 舊題新解—根號2是無理數,張海潮 張鎮華(數學傳播 第30卷 第4期)