求真百科欢迎当事人提供第一手真实资料,洗刷冤屈,终结网路霸凌。

实数查看源代码讨论查看历史

事实揭露 揭密真相
跳转至: 导航搜索
实数

实数,可以分为有理数无理数两类,或代数数和超越数两类,或正实数负实数三类。有理数可以分成整数和分数,而整数可以分为正整数、零和负整数。分数可以分为正分数负分数[1] 无理数可以分为正无理数负无理数。实数集合通常用字母 R 或 R^n 表示。而R^n 表示 n 维实数空间。实数是不可数的。实数是实分析的核心研究对象。在实际运用中,实数经常被近似成一个有限小数(保留小数点后 n 位,n 为正整数,包括整数)。在计算机领域,由于计算机只能存储有限的小数位数,实数经常用浮点数来表示。在数轴上表示的两个实数,右边的数总比左边的数大。

基本信息

中文名 实数 [2]

分类 有理数和无理数

实数1.jpg

意思 可以用来测量连续的量

拼音 shishu

基本介绍

实数,是有理数和无理数的总称。数学上,实数定义为与数轴上的点相对应的数。实数可以直观地看作有限小数与无限小数,它们能把数轴“填满”。但仅仅以列举的方式不能描述实数的整体。实数和虚数共同构成复数。

实数可以用来测量连续的量。理论上,任何实数都可以用无限小数的方式表示,小数点的右边是一个无穷的数列(可以是循环的,也可以是非循环的)。在实际运用中,实数经常被近似成一个有限小数(保留小数点后 n 位,n 为正整数,包括整数)。在计算机领域,由于计算机只能存储有限的小数位数,实数经常用浮点数来表示。

[1]相反数(只有符号不同的两个数,它们的和为零,我们就说其中一个是另一个的相反数,叫做互为相反数) 实数a的相反数是-a,a和-a在数轴上到原点0的距离相等。

[2]绝对值(在数轴上一个数a与原点0的距离) 实数a的绝对值是:|a|

实数2.jpg

①a为正数时,|a|=a(不变),a是它本身;

②a为0时, |a|=0,a也是它本身;

③a为负数时,|a|= -a(为a的绝对值),-a是a的相反数。

(任何数的绝对值都大于或等于0,因为距离没有负数。)

[3]倒数(两个实数的乘积是1,则这两个数互为倒数) 实数a的倒数是:1/a (a≠0)

[4]数轴

定义:规定了原点,正方向和单位长度的直线叫数轴

(1)数轴的三要素:原点、正方向和单位长度。

实数3.jpg

(2)数轴上的点与实数一一对应。

特别规定0的算术平方根是根号0

实数分类

按性质分类是:正数、0、负数;

按定义分类是:有理数、无理数

历史来源

埃及人早在大约公元前1000年就开始运用分数了。在公元前500年左右,以毕达哥拉斯为首的希腊数学家们意识到了无理数存在的必要性。印度人于公元600年左右发明了负数,据说中国也曾发明负数,但稍晚于印度。

直到17世纪,实数才在欧洲被广泛接受。18世纪,微积分学在实数的基础上发展起来。直到1871年,德国数学家康托尔第一次提出了实数的严格定义。实数包括有理数和无理数。其中无理数就是无限不循环小数,有理数就包括无限循环小数、有限小数、整数。

实数4.jpg

数学上,实数直观地定义为和数轴上的点一一对应的数。本来实数仅称作数,后来引入了虚数概念,原本的数称作“实数”——意义是“实在的数”。 实数可以分为有理数和无理数两类,或代数数和超越数两类,或正数,负数和零三类。

实数集合通常用字母 R 或 R^n 表示。而 R^n 表示 n 维实数空间。实数是不可数的。实数是实分析的核心研究对象。 实数可以用来测量连续的量。理论上,任何实数都可以用无限小数的方式表示,小数点的右边是一个无穷的数列(可以是循环的,也可以是非循环的)。在实际运用中,实数经常被近似成一个有限小数(保留小数点后 n 位,n 为正整数)。在计算机领域,由于计算机只能存储有限的小数位数,实数经常用浮点数来表示。

相关定义

1.实数由有理数构造

实数可以用通过收敛于一个唯一实数的十进制或二进制展开如 {3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415,…} 所定义的序列的方式而构造为有理数的补全。实数可以不同方式从有理数构造出来。这里给出其中一种,其他方法请详见实数的构造。

2.公理的方法

实数5.png

设 R 是所有实数的集合,则:

集合 R 是一个域: 可以作加、减、乘、除运算,且有如交换律,结合律等常见性质。

域 R 是个有序域,即存在全序关系≥ ,对所有实数 x, y 和 z:

若 x ≥ y 则 x + z ≥ y + z

若 x ≥ 0 且 y ≥ 0 则 xy ≥ 0。

集合 R 满足完备性,即任意 R 的有空子集S ( S∈R,S≠Φ),若 S 在 R 内有上界,那么 S 在 R 内有上确界。

最后一条是区分实数和有理数的关键。例如所有平方小于 2 的有理数的集合存在有理数上界,如 1.5;但是不存在有理数上确界(因为 √2 不是有理数)。

实数通过上述性质唯一确定。更准确的说,给定任意两个有序域 R1 和 R2,存在从 R1 到 R2 的唯一的域同构,即代数学上两者可看作是相同的。

相关性质

实数6.jpg

基本运算

实数可实现的基本运算有加、减、乘、除、乘方等,对非负数(即正数和0)还可以进行开方运算。实数加、减、乘、除(除数不为零)、平方后结果还是实数。任何实数都可以开奇次方,结果仍是实数,只有非负实数,才能开偶次方其结果还是实数。

四则运算封闭性

实数集R对加、减、乘、除(除数不为零)四则运算具有封闭性,即任意两个实数的和、差、积、商(除数不为零)仍然是实数。

实数集有序性

实数集是有序的,即任意两个实数a、b必定满足下列三个关系之一:a<b,a=b,a>b.

实数的传递性

实数大小具有传递性,即若a>b,b>c,则有a>c.

实数的阿基米德性

实数7.jpg

实数具有阿基米德(Archimedes)性,即对任何a,b ∈R,若b>a>0,则存在正整数n,使得na>b.

实数的稠密性

实数集R具有稠密性,即两个不相等的实数之间必有另一个实数,既有有理数,也有无理数.

实数唯一性

如果在一条直线(通常为水平直线)上确定O作为原点,指定一个方向为正方向(通常把指向右的方向规定为正方向),并规定一个单位长度,则称此直线为数轴。任一实数都对应与数轴上的唯一一个点;反之,数轴上的每一个点也都唯一的表示一个实数。于是,实数集R与数轴上的点有着一一对应的关系。

完备性

作为度量空间或一致空间,实数集合是个完备空间,它有以下性质:

所有实数的柯西序列都有一个实数极限。

有理数集合就不是完备空间。例如,(1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, 1.41421, ...) 是有理数的柯西序列,但没有有理数极限。实际上,它有个实数极限 √2。实数是有理数的完备化——这亦是构造实数集合的一种方法。

极限的存在是微积分的基础。实数的完备性等价于欧几里德几何的直线没有“空隙”。

实数8.jpg

“完备的有序域”

实数集合通常被描述为“完备的有序域”,这可以几种解释。

首先,有序域可以是完备格。然而,很容易发现没有有序域会是完备格。这是由于有序域没有最大元素(对任意元素 z,z + 1 将更大)。所以,这里的“完备”不是完备格的意思。

另外,有序域满足戴德金完备性,这在上述公理中已经定义。上述的唯一性也说明了这里的“完备”是指戴德金完备性的意思。这个完备性的意思非常接近采用戴德金分割来构造实数的方法,即从(有理数)有序域出发,通过标准的方法建立戴德金完备性。

这两个完备性的概念都忽略了域的结构。然而,有序群(域是种特殊的群)可以定义一致空间,而一致空间又有完备空间的概念。上述完备性中所述的只是一个特例。(这里采用一致空间中的完备性概念,而不是相关的人们熟知的度量空间的完备性,这是由于度量空间的定义依赖于实数的性质。)当然,R 并不是唯一的一致完备的有序域,但它是唯一的一致完备的阿基米德域。

实际上,“完备的阿基米德域”比“完备的有序域”更常见。可以证明,任意一致完备的阿基米德域必然是戴德金完备的(当然反之亦然)。这个完备性的意思非常接近采用柯西序列来构造实数的方法,即从(有理数)阿基米德域出发,通过标准的方法建立一致完备性。

“完备的阿基米德域”最早是由希尔伯特提出来的,他还想表达一些不同于上述的意思。他认为,实数构成了最大的阿基米德域,即所有其他的阿基米德域都是 R 的子域。这样 R 是“完备的”是指,在其中加入任何元素都将使它不再是阿基米德域。这个完备性的意思非常接近用超实数来构造实数的方法,即从某个包含所有(超实数)有序域的纯类出发,从其子域中找出最大的阿基米德域。

实数9.jpg

高级性质

实数集是不可数的,也就是说,实数的个数严格多于自然数的个数(尽管两者都是无穷大)。这一点,可以通过康托尔对角线方法证明。实际上,实数集的势为 2ω(请参见连续统的势),即自然数集的幂集的势。

由于实数集中只有可数集个数的元素可能是代数数,绝大多数实数是超越数。实数集的子集中,不存在其势严格大于自然数集的势且严格小于实数集的势的集合,这就是连续统假设。该假设不能被证明是否正确,这是因为它和集合论的公理不相关。

所有非负实数的平方根属于 R,但这对负数不成立。这表明 R 上的序是由其代数结构确定的。而且,所有奇数次多项式至少有一个根属于 R。这两个性质使 R成为实封闭域的最主要的实例。证明这一点就是对代数基本定理的证明的前半部分。

实数集拥有一个规范的测度,即勒贝格测度。

实数集的上确界公理用到了实数集的子集,这是一种二阶逻辑的陈述。不可能只采用一阶逻辑来刻画实数集:1. Löwenheim-Skolem定理说明,存在一个实数集的可数稠密子集,它在一阶逻辑中正好满足和实数集自身完全相同的命题;

实数0.png

2. 超实数的集合远远大于 R,但也同样满足和 R 一样的一阶逻辑命题。满足和 R 一样的一阶逻辑命题的有序域称为 R 的非标准模型。这就是非标准分析的研究内容,在非标准模型中证明一阶逻辑命题(可能比在 R 中证明要简单一些),从而确定这些命题在 R 中也成立。

拓扑性质

实数集构成一个度量空间:x 和 y 间的距离定为绝对值 |x - y|。作为一个全序集,它也具有序拓扑。这里,从度量和序关系得到的拓扑相同。实数集又是 1 维的可缩空间(所以也是连通空间)、局部紧致空间、可分空间、贝利空间。但实数集不是紧致空间。这些可以通过特定的性质来确定,例如,无限连续可分的序拓扑必须和实数集同胚。以下是实数的拓扑性质总览:

令 a 为一实数。a 的邻域是实数集中一个包括一段含有 a 的线段的子集。

R 是可分空间。

Q 在 R 中处处稠密。

R的开集是开区间的联集。

R的紧子集是有界闭集。特别是:所有含端点的有限线段都是紧子集。

每个R中的有界序列都有收敛子序列。

实数00.jpg

R是连通且单连通的。

R中的连通子集是线段、射线与R本身。由此性质可迅速导出中间值定理。

相关介绍

扩展与一般化

实数集可以在几种不同的方面进行扩展和一般化:

最自然的扩展可能就是复数了。复数集包含了所有多项式的根。但是,复数集不是一个有序域。

实数集扩展的有序域是超实数的集合,包含无穷小和无穷大。它不是一个阿基米德域。

T01fc07a9e587a8962e.jpg

有时候,形式元素 +∞ 和 -∞ 加入实数集,构成扩展的实数轴。它是一个紧致空间,而不是一个域,但它保留了许多实数的性质。

希尔伯特空间的自伴随算子在许多方面一般化实数集:它们是有序的(尽管不一定全序)、完备的;它们所有的特征值都是实数;它们构成一个实结合代数。​

数学名词

八边形 八面体 百分比 百分点 百分位数 半径 半球 半圆 被乘数 被除数 被加数 被减数 比 比例 边 变量 标准差 表面积 并集 补集 不等边三角形 不等式 不定积分 差 长 常量 乘 乘方 乘数 除 除数 垂心 次方 次方根 大于 大于等于 代数 单调性 单项式 导数 等边三角形 等式方程式 等腰三角形 等腰梯形 等于 底 底面 点 定积分 定理 定义域 对数 钝角 钝角三角形 多边形 多面体 二次方程 多项式 二次方根平方根 二次方平方 二进制 二十面体 反余割 反余切 反余弦 反正割 反正切 反正弦 方差 非正态分布 分布 分母 分数 分子 负 复数

131544 50af06805f948.jpg

高 公理 公式 勾股定理 轨迹 函数 和 横坐标 弧 弧度 环 积 积分 极限 集合 几何 计算 加 加权平均数 加数 假设 减 减数 交集 角 角度 阶乘 截尾 进位 九边形 九面体 矩形 矩阵 开方 空集 空间 宽 棱台 棱柱 棱锥 立方体 菱形 零 六边形 六面体 面 面积 命题 内切圆 内心 排列 旁心 抛物线 平角 平均数 平行 平行六面体 平行四边形 七边形 七面体 奇偶性 球 曲线统计图 全等 权 锐角 锐角三角形 三次方程 三次方根立方根 三次方立方 三角 三角形 扇形 扇形统计图 商 上舍入 射线 十边形 十二边形 十二面体 十进制 十六进制 十面体 十一边形 十一面体 实数 数 数列级数 数字 双曲线 四边形 四次方 四次方程 四次方根 四面体 四舍五入 算术 梯形 体 体积 条形统计图 统计 图表 图象 椭圆 外切圆 外心 微分 微积分 未知数 无理数 无穷大 无穷小 无效数字 五边形 五面体 系数 下舍入 线 线段 相交 相似 相位 小数 小数点 小于 小于等于 斜边 行列式 虚数 旋转 一次方程 映射 有理数 有效数字 余割 余切 余弦 元素 原点 圆 圆台 圆心 圆周 圆周率 圆柱 圆锥 运算 运算符 折线统计图 振幅 整数 正 正多边形 正方形 正割 正切 正态分布 正弦 证明 直角 直角边 直角三角形 直角梯形 直径 值域 指数幂 重心 周长 周角 周期 周期性 轴 柱形统计图 子集 自然数 纵坐标 组合 坐标系 坐标轴

参考来源