Вопрос о нахождении рациональных корней многочлена f (x )Q [x ] (с рациональными коэффициентами) сводится к вопросу об отыскании рациональных корней многочленов k ∙ f (x )Z [x ] (с целыми коэффициентами). Здесь число k является наименьшим общим кратным знаменателей коэффициентов данного многочлена.
Необходимые, но не достаточные условия существования рациональных корней многочлена с целыми коэффициентами дает следующая теорема.
Теорема 6.1 (о рациональных корнях многочлена с целыми коэффициентами). Если – рациональный корень многочлена f (x ) = a n x n + + …+ a 1 x + a 0 с целыми коэффициентами, причем (p , q ) = 1, то числитель дроби p является делителем свободного члена а 0 , а знаменатель q является делителем старшего коэффициента а 0 .
Теорема
6.2.
Если
Q
(
где
(p
,
q
)
=
1)
является
рациональным корнем многочлена
f
(x
)
с целыми
коэффициентами, то
–целые
числа.
Пример. Найтивсе рациональные корнимногочлена
f (x ) = 6 x 4 + x 3 + 2 x 2 – 4 х+ 1.
1. По теореме 6.1: если – рациональный корень многочлена f (x ), (где(p , q ) = 1), то a 0 = 1 p , a n = 6 q . Поэтому p { 1}, q{1, 2, 3, 6}, значит,
.
2. Известно, что (следствие 5.3) число а является корнем многочлена f (x ) тогда и только тогда, когда f (x ) делится на (х – а ).
Следовательно, для проверки того, являются ли числа 1 и –1 корнями многочлена f (x ) можно воспользоваться схемой Горнера:
f (1) = 60,f (–1) = 120, поэтому 1 и –1 не являются корнями многочленаf (x ).
3. Чтобы отсеять
часть оставшихся чисел
,
воспользуемся теоремой 6.2. Если выраженияили
принимает целые значения для соответствующих
значений числителяp
и знаменателя q
,
то в соответствующих клетках таблицы
(см. ниже) будем писать букву “ц”, в
противном случае – “др”.
= | ||||||
= |
4. С помощью схемы
Горнера проверяем, будут ли оставшиеся
после отсеивания числа
корнямиf
(x
).
Вначале разделим f
(x
)
на (х
–
).
В результате имеем: f (x ) = (х – )(6 x 3 + 4 x 2 + 4 х – 2) и – кореньf (x ). Частное q (x ) = 6 x 3 + 4 x 2 + 4 х – 2 разделим на (х + ).
Так как q (–) = 30, то (–) не является корнем многочленаq (x ), а значит и многочлена f (x ).
Наконец, разделим многочлен q (x ) = 6 x 3 + 4 x 2 + + 4 х – 2 на (х – ).
Получили: q () = 0, т.е.– кореньq (x ), а значит, – кореньf (x ). Таким образом, многочлен f (x ) имеет два рациональных корня: и.
Освобождение от алгебраической иррациональности в знаменателе дроби
В школьном курсе при решении некоторых типов задач на освобождение от иррациональности в знаменателе дроби достаточно домножить числитель и знаменатель дроби на число сопряженное знаменателю.
Примеры.
1.t
=
.
Здесь в знаменателе срабатывает формула сокращенного умножения (разность квадратов), что позволяет освободиться от иррациональности в знаменателе.
2. Освободиться от иррациональности в знаменателе дроби
t
=
. Выражение
– неполный квадрат разности чисела
=
иb
= 1. Воспользовавшись формулой сокращенного
умножения а
3
–
b
3
=
(а
+
b
)
· (a
2
–
ab
+
b
2
),
можно определить множитель m
= (а +
b
)
=
+ 1, на который следует домножать числитель
и знаменатель дробиt
,
чтобы избавиться от иррациональности
в знаменателе дроби t
.
Таким образом,
В ситуациях, где формулы сокращенного умножения не работают, можно использовать другие приемы. Ниже будет сформулирована теорема, доказательство которой, в частности, позволяет найти алгоритм освобождения от иррациональности в знаменателе дроби в более сложных ситуациях.
Определение 6.1. Число z называется алгебраическим над полем F , если существует многочлен f (x ) F [x ], корнем которого является z , в противном случае число z называется трансцендентным над полем F .
Определение 6.2. Степенью алгебраического над полем F числа z называется степень неприводимого над полем F многочлена p (x )F [x ], корнем которого является число z .
Пример.
Покажем,
что числоz
=
является алгебраическим над полемQ
и найдем его
степень.
Найдем неприводимый
над полем Q
многочлен p
(х
),
корнем которого является x
=
.
Возведем обе части равенстваx
=
в
четвертую степень, получимх
4
= 2 или х
4
–
2
= 0. Итак, p
(х
)
= х
4
–
2, а степень
числа z
равна deg
p
(х
)
= 4.
Теорема 6.3 (об освобождении от алгебраической иррациональности в знаменателе дроби). Пусть z – алгебраическое число над полем F степени n . Выражение вида t = ,где f (x ), (x )F [x ], (z)0
единственным образом может быть представлено в виде:
t = с n -1 z n -1 + c n -2 z n -2 + … + c 1 z + c 0 , c i F .
Алгоритм освобождения от иррациональности в знаменателе дроби продемонстрируем на конкретном примере.
Пример. Освободиться от иррациональности в знаменателе дроби:
t
=
1. Знаменателем
дроби является значение многочлена
(х
)
= х
2
– х
+1 при х
=
.
В предыдущем примере показано, что
– алгебраическое число над полемQ
степени 4, так как оно является корнем
неприводимого над Q
многочлена p
(х
)
= х
4
–
2.
2. Найдем линейное разложение НОД ((х ), p (x )) с помощью алгоритма Евклида.
_ x 4 – 2 | x 2 – x + 1
x 4 – x 3 + x 2 x 2 + x = q 1 (x )
_ x 3 – x 2 – 2
x 3 – x 2 + x
x 2 – x + 1 | – x –2 = r 1 (x )
x 2 + 2 x – x + 3 = q 2 (x )
_–3x + 1
–3 x – 6
_ – x –2 |7 = r 2
– x –2 -x - =q 3 (x )
Итак, НОД ((х ), p (x )) = r 2 = 7. Найдем его линейное разложение.
Запишем последовательность Евклида, пользуясь обозначениями многочленов.
p
(x
)
=
(x
)
· q
1
(x
)
+ r
1
(x
)
r
1
(x
)
=
p
(x
)
–
(x
)
· q
1
(x
)
Данный многочлен имеет целые коэффициенты. Если целое число является корнем этого многочлена, то оно является делителем числа 16. Таким образом, если у данного многочлена есть целые корни, то это могут быть только числа ±1; ±2; ±4; ±8; ±16. Непосредственной проверкой убеждаемся, что число 2 является корнем этого многочлена, то есть x 3 – 5x 2 – 2x + 16 = (x – 2)Q (x ) , где Q (x ) − многочлен второй степени. Следовательно, многочлен разлагается на множители, один из которых (x – 2) . Для поиска вида многочлена Q (x ) воспользуемся так называемой схемой Горнера . Основным преимуществом этого метода является компактность записи и возможность быстрого деления многочлена на двучлен. По сути, схема Горнера является другой формой записи метода группировки, хотя, в отличие от последнего, является совершенно ненаглядной. Ответ (разложение на множители) тут получается сам собой, и мы не видим самого процесса его получения. Мы не будем заниматься строгим обоснованием схемы Горнера, а лишь покажем, как она работает.
1 | −5 | −2 | 16 | |
2 | 1 | −3 | −8 | 0 |
Во вторую клетку нижней строки «сносится» число из клетки над ней, то есть 1. Затем поступают так. Корень уравнения (число 2) умножают на последнее написанное число (1) и складывают результат с числом, которое стоит в верхнем ряду над следующей свободной клеткой, в нашем примере имеем:
Степень многочлена, полученного в результате деления, всегда на 1 меньше, чем степень исходного. Итак:
Пусть
- многочлен степени n ≥ 1
от действительной или комплексной переменной z
с действительными или комплексными коэффициентами a i
.
Примем без доказательства следующую теорему.
Теорема 1
Уравнение P n (z) = 0 имеет хотя бы один корень.
Докажем следующую лемму.
Лемма 1
Пусть P n (z)
- многочлен степени n
,
z 1
- корень уравнения:
P n (z 1) = 0
.
Тогда P n (z)
можно представить единственным способом в виде:
P n (z) = (z - z 1)
P n-1
(z)
,
где P n-1
(z)
- многочлен степени n - 1
.
Доказательство
Для доказательства, применим теорему (см. Деление и умножение многочлена на многочлен уголком и столбиком), согласно которой для любых двух многочленов P n (z)
и Q k (z)
,
степеней n
и k
,
причем n ≥ k
,
существует единственное представление в виде:
P n (z)
= P n-k (z)
Q k (z)
+ U k-1
(z)
,
где P n-k (z)
- многочлен степени n-k
,
U k-1
(z)
- многочлен степени не выше k-1
.
Положим k = 1
,
Q k (z)
= z - z 1
,
тогда
P n (z)
= (z - z 1
)
P n-1
(z)
+ c
,
где c
- постоянная. Подставим сюда z = z 1
и учтем, что P n (z 1) = 0
:
P n (z 1
)
= (z 1
- z 1
)
P n-1
(z 1
)
+ c
;
0 = 0 +
c
.
Отсюда c = 0
.
Тогда
P n ,
что и требовалось доказать.
Разложение многочлена на множители
Итак, на основании теоремы 1, многочлен P n (z)
имеет хотя бы один корень. Обозначим его как z 1
,
P n (z 1) = 0
.
Тогда на основании леммы 1:
P n (z)
= (z - z 1
)
P n-1
(z)
.
Далее, если n > 1
,
то многочлен P n-1
(z)
также имеет хотя бы один корень, который обозначим как z 2
,
P n-1
(z 2) = 0
.
Тогда
P n-1
(z)
= (z - z 2
)
P n-2
(z)
;
P n (z)
= (z - z 1
)(z - z 2
)
P n-2
(z)
.
Продолжая этот процесс, мы приходим к выводу, что существует n
чисел z 1
, z 2
, ... , z n
таких, что
P n (z)
= (z - z 1
)(z - z 2
) ... (z - z n
)
P 0
(z)
.
Но P 0 (z)
- это постоянная. Приравнивая коэффициенты при z n
,
находим что она равна a n
.
В результате получаем формулу разложения многочлена на множители:
(1)
P n (z)
= a n (z - z 1
)(z - z 2
) ... (z - z n
)
.
Числа z i являются корнями многочлена P n (z) .
В общем случае не все z i
,
входящие в (1)
, различны. Среди них могут оказаться одинаковые значения. Тогда разложение многочлена на множители (1)
можно записать в виде:
(2)
P n (z)
= a n (z - z 1
)
n 1
(z - z 2
)
n 2
... (z - z k
)
n k
;
.
Здесь z i ≠ z j
при i ≠ j
.
Если n i = 1
,
то корень
z i
называется простым
. Он входит в разложение на множители в виде (z-z i )
.
Если n i > 1
,
то корень
z i
называется кратным корнем кратности
n i
.
Он входит в разложение на множители в виде произведения n i
простых множителей: (z-z i )(z-z i ) ... (z-z i ) = (z-z i )
n i
.
Многочлены с действительными коэффициентами
Лемма 2
Если - комплексный корень многочлена с действительными коэффициентами, , то комплексно сопряженное число также является корнем многочлена, .
Доказательство
Действительно, если , и коэффициенты многочлена - действительные числа, то .
Таким образом, комплексные корни входят в разложение на множителями парами со своими комплексно сопряженными значениями:
,
где , - действительные числа.
Тогда разложение (2)
многочлена с действительными коэффициентами на множители можно представить в виде, в котором присутствуют только действительные постоянные:
(3)
;
.
Методы разложения многочлена на множители
С учетом сказанного выше, для разложения многочлена на множители, нужно найти все корни уравнения P n (z) = 0 и определить их кратность. Множители с комплексными корнями нужно сгруппировать с комплексно сопряженными. Тогда разложение определяется по формуле (3) .
Таким образом, метод разложения многочлена на множители заключается в следующем:
1.
Находим корень z 1
уравнения P n (z 1)
= 0
.
2.1.
Если корень z 1
действительный, то в разложение добавляем множитель (z - z 1)
(z - z 1)
1
:
.
1
(z)
,
начиная с пункта (1)
, пока не найдем все корни.
2.2.
Если корень комплексный, то и комплексно сопряженное число является корнем многочлена. Тогда в разложение входит множитель
,
где b 1 = - 2
x 1
,
c 1
= x 1 2
+ y 1 2
.
В этом случае, в разложение добавляем множитель (z 2
+ b 1
z + c 1)
и делим многочлен P n (z)
на (z 2
+ b 1
z + c 1)
.
В результате получаем многочлен степени n - 2
:
.
Далее повторяем процесс для многочлена P n-2
(z)
,
начиная с пункта (1)
, пока не найдем все корни.
Нахождение корней многочлена
Главной задачей, при разложении многочлена на множители, является нахождение его корней. К сожалению, не всегда это можно сделать аналитически. Здесь мы разберем несколько случаев, когда можно найти корни многочлена аналитически.
Корни многочлена первой степени
Многочлен первой степени - это линейная функция. Она имеет один корень. Разложение имеет только один множитель, содержащий переменную z
:
.
Корни многочлена второй степени
Чтобы найти корни многочлена второй степени, нужно решить квадратное уравнение:
P 2 (z)
= a 2
z 2
+ a 1
z + a 0 = 0
.
Если дискриминант , то уравнение имеет два действительных корня:
, .
Тогда разложение на множители имеет вид:
.
Если дискриминант D = 0
,
то уравнение имеет один двукратный корень:
;
.
Если дискриминант D < 0
,
то корни уравнения комплексные,
.
Многочлены степени выше второй
Существуют формулы для нахождения корней многочленов 3-ей и 4-ой степеней. Однако ими редко пользуются, поскольку они громоздкие. Формул для нахождения корней многочленов степени выше 4-ой нет. Несмотря на это, в некоторых случаях, удается разложить многочлен на множители.
Нахождение целых корней
Если известно, что многочлен, у которого коэффициенты - целые числа, имеет целый корень, то его можно найти, перебрав все возможные значения.
Лемма 3
Пусть многочлен
,
коэффициенты a i
которого - целые числа, имеет целый корень z 1
.
Тогда этот корень является делителем числа a 0
.
Доказательство
Перепишем уравнение P n (z 1) = 0
в виде:
.
Тогда - целое,
M z 1
= - a 0
.
Разделим на z 1
:
.
Поскольку M
- целое, то и - целое. Что и требовалось доказать.
Поэтому, если коэффициенты многочлена - целые числа, то можно попытаться найти целые корни. Для этого нужно найти все делители свободного члена a 0
и, подстановкой в уравнение P n (z) = 0
,
проверить, являются ли они корнями этого уравнения.
Примечание
. Если коэффициенты многочлена - рациональные числа, , то умножая уравнение P n (z) = 0
на общий знаменатель чисел a i
,
получим уравнение для многочлена с целыми коэффициентами.
Нахождение рациональных корней
Если коэффициенты многочлена - целые числа и целых корней нет, то при a n ≠ 1
,
можно попытаться найти рациональные корни. Для этого нужно сделать подстановку
z = y/a n
и умножить уравнение на a n n-1
.
В результате мы получим уравнение для многочлена от переменной y
с целыми коэффициентами.Далее ищем целые корни этого многочлена среди делителей свободного члена. Если мы нашли такой корень y i
,
то перейдя к переменной x
,
получаем рациональный корень
z i = y i /a n
.
Полезные формулы
Приведем формулы, с помощью которых можно разложить многочлен на множители.
В более общем случае, чтобы разложить многочлен
P n (z)
= z n - a 0
,
где a 0
- комплексное, нужно найти все его корни, то есть решить уравнение:
z n = a 0
.
Это уравнение легко решается, если выразить a 0
через модуль r
и аргумент φ
:
.
Поскольку a 0
не изменится, если к аргументу прибавить 2
π
,
то представим a 0
в виде:
,
где k
- целое. Тогда
;
.
Присваивая k
значения k = 0, 1, 2, ...
n-1
,
получаем n
корней многочлена. Тогда его разложение на множители имеет вид:
.
Биквадратный многочлен
Рассмотрим биквадратный многочлен:
.
Биквадратный многочлен можно разложить на множители, без нахождения корней.
При , имеем:
,
где .
Бикубический и многочлены, приводящиеся к квадратному
Рассмотрим многочлен:
.
Его корни определяются из уравнения:
.
Оно приводится к квадратному уравнению подстановкой t = z n
:
a 2
n t 2
+ a n t + a 0 = 0
.
Решив это уравнение, найдем его корни, t 1
,
t 2
.
После чего находим разложение в виде:
.
Далее методом, указанным выше, раскладываем на множители z n - t 1
и z n - t 2
.
В заключении группируем множители, содержащие комплексно сопряженные корни.
Возвратные многочлены
Многочлен называется возвратным
, если его коэффициенты симметричны:
Пример возвратного многочлена:
.
Если степень возвратного многочлена n - нечетна, то такой многочлен имеет корень z = -1 . Разделив такой многочлен на z + 1 , получим возвратный многочлен степени
Иррациона́льное число́ - это вещественное число , которое не является рациональным , то есть не может быть представлено в виде дроби , где - целые числа , . Иррациональное число может быть представлено в виде бесконечной непериодической десятичной дроби .
Множество иррациональных чисел обычно обозначается заглавной латинской буквой в полужирном начертании без заливки. Таким образом: , т.е. множество иррациональных чисел есть разность множеств вещественных и рациональных чисел.
О существовании иррациональных чисел, точнее отрезков , несоизмеримых с отрезком единичной длины, знали уже древние математики: им была известна, например, несоизмеримость диагонали и стороны квадрата, что равносильно иррациональности числа .
Свойства
- Всякое вещественное число может быть записано в виде бесконечной десятичной дроби , при этом иррациональные числа и только они записываются непериодическими бесконечными десятичными дробями.
- Иррациональные числа определяют Дедекиндовы сечения в множестве рациональных чисел, у которых в нижнем классе нет наибольшего, а в верхнем нет наименьшего числа.
- Каждое вещественное трансцендентное число является иррациональным.
- Каждое иррациональное число является либо алгебраическим , либо трансцендентным.
- Множество иррациональных чисел всюду плотно на числовой прямой: между любыми двумя числами имеется иррациональное число.
- Порядок на множестве иррациональных чисел изоморфен порядку на множестве вещественных трансцендентных чисел.
- Множество иррациональных чисел несчётно , является множеством второй категории .
Примеры
Иррациональные числа
- ζ(3) - √2 - √3 - √5 - - - - - |
Иррациональными являются:
Примеры доказательства иррациональности
Корень из 2
Допустим противное: рационален , то есть представляется в виде несократимой дроби , где - целое число , а - натуральное число . Возведём предполагаемое равенство в квадрат:
.Отсюда следует, что чётно, значит, чётно и . Пускай , где целое. Тогда
Следовательно, чётно, значит, чётно и . Мы получили, что и чётны, что противоречит несократимости дроби . Значит, исходное предположение было неверным, и - иррациональное число.
Двоичный логарифм числа 3
Допустим противное: рационален , то есть представляется в виде дроби , где и - целые числа . Поскольку , и могут быть выбраны положительными. Тогда
Но чётно, а нечётно. Получаем противоречие.
e
История
Концепция иррациональных чисел была неявным образом воспринята индийскими математиками в VII веке до нашей эры, когда Манава (ок. 750 г. до н. э. - ок. 690 г. до н. э.) выяснил, что квадратные корни некоторых натуральных чисел, таких как 2 и 61, не могут быть явно выражены.
Первое доказательство существования иррациональных чисел обычно приписывается Гиппасу из Метапонта (ок. 500 гг. до н. э.), пифагорейцу , который нашёл это доказательство, изучая длины сторон пентаграммы. Во времена пифагорейцев считалось, что существует единая единица длины, достаточно малая и неделимая, которая целое число раз входит в любой отрезок. Однако Гиппас обосновал, что не существует единой единицы длины, поскольку предположение о её существовании приводит к противоречию. Он показал, что если гипотенуза равнобедренного прямоугольного треугольника содержит целое число единичных отрезков, то это число должно быть одновременно и четным, и нечетным. Доказательство выглядело следующим образом:
- Отношение длины гипотенузы к длине катета равнобедренного прямоугольного треугольника может быть выражено как a :b , где a и b выбраны наименьшими из возможных.
- По теореме Пифагора: a ² = 2b ².
- Так как a ² четное, a должно быть четным (так как квадрат нечетного числа был бы нечетным).
- Поскольку a :b несократима, b обязано быть нечетным.
- Так как a четное, обозначим a = 2y .
- Тогда a ² = 4y ² = 2b ².
- b ² = 2y ², следовательно b ² четное, тогда и b четно.
- Однако было доказано, что b нечетное. Противоречие.
Греческие математики назвали это отношение несоизмеримых величин алогос (невыразимым), однако согласно легендам не воздали Гиппасу должного уважения. Существует легенда, что Гиппас совершил открытие, находясь в морском походе, и был выброшен за борт другими пифагорейцами «за создание элемента вселенной, который отрицает доктрину, что все сущности во вселенной могут быть сведены к целым числам и их отношениям». Открытие Гиппаса поставило перед пифагорейской математикой серьёзную проблему, разрушив лежавшее в основе всей теории предположение, что числа и геометрические объекты едины и неразделимы.
В этой статье мы начнем изучать рациональные числа . Здесь мы дадим определения рациональных чисел, дадим необходимые пояснения и приведем примеры рациональных чисел. После этого остановимся на том, как определить, является ли данное число рациональным или нет.
Навигация по странице.
Определение и примеры рациональных чисел
В этом пункте мы дадим несколько определений рациональных чисел. Несмотря на различия в формулировках, все эти определения имеют единый смысл: рациональные числа объединяют целые числа и дробные числа , подобно тому, как целые числа объединяют натуральные числа , противоположные им числа и число нуль. Иными словами, рациональные числа обобщают целые и дробные числа.
Начнем с определения рациональных чисел , которое воспринимается наиболее естественно.
Из озвученного определения следует, что рациональным числом является:
- Любое натуральное число n . Действительно, можно представить любое натуральное число в виде обыкновенной дроби , например, 3=3/1 .
- Любое целое число, в частности, число нуль. В самом деле, любое целое число можно записать в виде либо положительной обыкновенной дроби, либо в виде отрицательной обыкновенной дроби, либо как нуль. Например, 26=26/1 , .
- Любая обыкновенная дробь (положительная или отрицательная). Это напрямую утверждается приведенным определением рациональных чисел.
- Любое смешанное число . Действительно, всегда можно представить смешанное число в виде неправильной обыкновенной дроби. Например, и .
- Любая конечная десятичная дробь или бесконечная периодическая дробь . Это так в силу того, что указанные десятичные дроби переводятся в обыкновенные дроби. К примеру, , а 0,(3)=1/3 .
Также понятно, что любая бесконечная непериодическая десятичная дробь НЕ является рациональным числом, так как она не может быть представлена в виде обыкновенной дроби.
Теперь мы можем с легкостью привести примеры рациональных чисел . Числа 4 , 903 , 100 321 – это рациональные числа, так как они натуральные. Целые числа 58 , −72 , 0 , −833 333 333 тоже являются примерами рациональных чисел. Обыкновенные дроби 4/9 , 99/3 , - это тоже примеры рациональных чисел. Рациональными числами являются и числа .
Из приведенных примеров видно, что существуют и положительные и отрицательные рациональные числа, а рациональное число нуль не является ни положительным, ни отрицательным.
Озвученное выше определение рациональных чисел можно сформулировать более краткой форме.
Определение.
Рациональными числами называют числа, которые можно записать в виде дроби z/n , где z – целое число, а n – натуральное число.
Докажем, что данное определение рациональных чисел равносильно предыдущему определению. Мы знаем, что можно рассматривать черту дроби как знак деления , тогда из свойств деления целых чисел и правил деления целых чисел следует справедливость следующих равенств и . Таким образом, , что и является доказательством.
Приведем примеры рациональных чисел, основываясь на данном определении. Числа −5 , 0 , 3 , и являются рациональными числами, так как они могут быть записаны в виде дробей с целым числителем и натуральным знаменателем вида и соответственно.
Определение рациональных чисел можно дать и в следующей формулировке.
Определение.
Рациональные числа – это числа, которые могут быть записаны в виде конечной или бесконечной периодической десятичной дроби.
Это определение также равносильно первому определению, так как всякой обыкновенной дроби соответствует конечная или периодическая десятичная дробь и обратно, а любому целому числу можно сопоставить десятичную дробь с нулями после запятой.
Например, числа 5 , 0 , −13 , представляют собой примеры рациональных чисел, так как их можно записать в виде следующих десятичных дробей 5,0 , 0,0 , −13,0 , 0,8 и −7,(18) .
Закончим теорию этого пункта следующими утверждениями:
- целые и дробные числа (положительные и отрицательные) составляют множество рациональных чисел;
- каждое рациональное число может быть представлено в виде дроби с целым числителем и натуральным знаменателем, а каждая такая дробь представляет собой некоторое рациональное число;
- каждое рациональное число может быть представлено в виде конечной или бесконечной периодической десятичной дроби, а каждая такая дробь представляет собой некоторое рациональное число.
Является ли данное число рациональным?
В предыдущем пункте мы выяснили, что любое натуральное число, любое целое число, любая обыкновенная дробь, любое смешанное число, любая конечная десятичная дробь, а также любая периодическая десятичная дробь является рациональным числом. Это знание нам позволяет «узнавать» рациональные числа из множества написанных чисел.
Но как быть, если число задано в виде некоторого , или как , и т.п., как ответить на вопрос, является ли данное число рациональным? Во многих случаях ответить на него очень сложно. Укажем некоторые направления ходу мысли.
Если число задано в виде числового выражения, которое содержит лишь рациональные числа и знаки арифметических действий (+, −, · и:), то значение этого выражения представляет собой рациональное число. Это следует из того, как определены действия с рациональными числами . Например, выполнив все действия в выражении , мы получаем рациональное число 18 .
Иногда, после упрощения выражений и более сложного вида, появляется возможность определить, рационально ли заданное число.
Пойдем дальше. Число 2 является рациональным числом, так как любое натуральное число является рациональным. А как насчет числа ? Является ли оно рациональным? Оказывается, что нет, - не является рациональным числом, это иррациональное число (доказательство этого факта методом от противного приведено в учебнике по алгебре за 8 класс, указанном ниже в списке литературы). Также доказано, что квадратный корень из натурального числа является рациональным числом только в тех случаях, когда под корнем находится число, являющееся полным квадратом некоторого натурального числа. Например, и - рациональные числа, так как 81=9 2 и 1 024=32 2 , а числа и не являются рациональными, так как числа 7 и 199 не являются полными квадратами натуральных чисел.
А число рационально или нет? В данном случае несложно заметить, что , следовательно, данное число – рациональное. А является ли число рациональным? Доказано, что корень k-ой степени из целого числа является рациональным числом только тогда, когда число под знаком корня является k-ой степенью некоторого целого числа. Поэтому не является рациональным числом, так как не существует целого числа, пятая степень которого равна 121 .
Метод от противного позволяет доказывать, что логарифмы некоторых чисел по некоторым основаниям не являются рациональными числами. Для примера докажем, что - не рациональное число.
Предположим противное, то есть, допустим, что - рациональное число и его можно записать в виде обыкновенной дроби m/n . Тогда и дают следующие равенства: . Последнее равенство невозможно, так как в левой его части находится нечетное число 5 n , а в правой части – четное число 2 m . Следовательно, наше предположение неверно, таким образом, не является рациональным числом.
В заключение стоит особо отметить, что при выяснении рациональности или иррациональности чисел следует воздержаться от скоропостижных выводов.
Например, не стоит сразу утверждать, что произведение иррациональных чисел π и e является иррациональным числом, это «как бы очевидно», но не доказано. При этом возникает вопрос: «А с чего бы произведению быть рациональным числом»? А почему бы и нет, ведь можно привести пример иррациональных чисел, произведение которых дает рациональное число: .
Также неизвестно, являются ли числа и многие другие числа рациональными или не являются таковыми. Например, существуют иррациональные числа, иррациональная степень которых является рациональным числом. Для иллюстрации приведем степень вида , основание данной степени и показатель степени не являются рациональными числами, но , а 3 – рациональное число.
Список литературы.
- Математика. 6 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений / [Н. Я. Виленкин и др.]. - 22-е изд., испр. - М.: Мнемозина, 2008. - 288 с.: ил. ISBN 978-5-346-00897-2.
- Алгебра: учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений / [Ю. Н. Макарычев, Н. Г. Миндюк, К. И. Нешков, С. Б. Суворова]; под ред. С. А. Теляковского. - 16-е изд. - М. : Просвещение, 2008. - 271 с. : ил. - ISBN 978-5-09-019243-9.
- Гусев В. А., Мордкович А. Г. Математика (пособие для поступающих в техникумы): Учеб. пособие.- М.; Высш. шк., 1984.-351 с., ил.