Rationella och reella tal
Transcription
Rationella och reella tal
Rationella och reella tal Olof Bergvall Algebra och Kombinatorik Stockholms Universitet 1 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Rationella tal Definiera en mängd Q: Q = Z × (Z \ {0}) . Med andra ord, Q är mängden av par av heltal (a, b) där b 6= 0. Vi inför en relation R på Q. Vi säger att (a, b)R(c, d) ⇐⇒ ad = bc. Med andra ord: ((a, b), (c, d)) ∈ R ⊂ Q × Q precis om ad = bc. 2 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Lemma: Relationen R är en ekvivalensrelation. Bevis: Vi måste visa: (Reflexivitet) att (a, b)R(a, b) för alla (a, b) ∈ Q, (Symmetri) att (a, b)R(c, d) om och endast om (c, d)R(a, b), (Transitivitet) att om (a, b)R(c, d) och (c, d)R(e, f ) så gäller även (a, b)R(e, f ). 3 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Bevis av reflexivitet: Vi har (a, b)R(a, b) om och endast om ab = ba. Likheten gäller för alla (a, b) så vi är klara. 4 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Bevis av symmetri: Anta att (a, b)R(c, d). Då gäller ad = bc. Alltså gäller cb = da. Detta ger att (c, d)R(a, b). 5 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Bevis av transitivitet: Anta att (a, b)R(c, d) och att (c, d)R(e, f ). Då gäller ad = bc och cf = de. Multiplicera den andra ekvationen med b: bcf = bde. Den första ekvationen ger att bc = ad. Använder vi detta i ekvationen ovan får vi: adf = bde. Eftersom d 6= 0 kan vi dela med d. Då får vi af = be. Alltså gäller (a, b)R(e, f ). 6 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Hur ser ekvivalensklassen [(2, 3)] ut? Vi har (a, b) ∈ [(2, 3)] om och endast om 3a = 2b. Delar vi båda sidorna med 3b får vi (a, b) ∈ [(2, 3)] ⇐⇒ a 2 = . b 3 Alltså: [(2, 3)] = {(2k , 3k ) | k ∈ Z \ {0}}. 7 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Definition: De rationella talen Q är mängden av ekvivalensklasser av Q under relationen R. Alltså, Q är mängden av ekvivalensklasser av par av heltal (a, b) där b 6= 0 under relationen (a.b)R(c, d) precis om ad = bc. Ekvivalensklassen av (a, b) skrivs ba . 8 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Definition: Vi definierar addition av rationella tal genom a c ad + bc + = . b d bd Vi definierar multiplikation av rationella tal genom a c a·c · = . b d b·d Vi säger att a b < c d om ad < bc. Egentligen måste vi kolla att dessa definitioner inte beror på val av representanter av ekvivalensklasser. Exempelvis måste vi visa att 2 1 4 3 3 + 4 = 6 + 12 . 9 / 15 Rationella och reella tal a b Rationella tal c d Sats 1: Låt och vara två rationella tal sådana att ett rationellt tal q sådant att a b < dc . Då finns a c <q< . b d Med andra ord, mellan varje två rationella tal finns ytterligare ett rationellt tal. Bevis: Vi tar q = 12 ba + dc . Vi måste först visa att ba < q. Vi vet att a c a b < d . Adderar vi b till båda sidorna får vi 2 a a c < + . b b d Delar vi båda sidorna med 2 får vi ba < q. Om vi adderar olikheten ba < dc får vi a c c + <2 . b d d Delar vi båda sidorna med 2 får vi q < dc . c d till 10 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Sats 2: Det finns inget rationellt tal q sådant att q 2 = 2. Bevis: Anta motsatsen, d.v.s. att det finns ett rationellt tal q = ba sådant att q 2 = 2. Om vi “dividerar bort” gemensamma faktorer kan vi anta att sgd(a, b) = 1. Speciellt kan vi anta att inte både a och b är jämna. Vi har q2 = a2 = 2. b2 Alltså gäller a2 = 2b2 . Då 2 är ett primtal måste alltså 2 dela a. Alltså finns ett heltal c sådant att a = 2c. Då a2 = 2b2 följer 4c 2 = 2b2 . Alltså gäller 2c 2 = b2 . Då 2 är ett primtal måste alltså 2 dela b. Vi har nu visat att 2 delar både a och b trots att inte båda är jämna. Detta är en motsägelse. 11 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Även rationella tal kan skrivas i positionssystem. Exempel: 37 = 4 · 100 + 6 · 10−1 + 2 · 10−2 + 5 · 10−3 = 4, 625. 8 Kommatecknet delar upp talet i en heltalsdel (positioner svarande mot potenser med icke-negaiv exponent) och en decimaldel (positioner svarande mot potenser med negaiv exponent). Decimaldelen är ett 625 . rationellt tal 0 ≤ q < 1. I exemplet är decimaldelen 1000 Alla tal får inte ändligt många decimaler. Dessa tal har periodiska framställningar. Exempel: 410 = 1, 23123123 . . . = 1, 231 333 Strecket ovanför 231 betyder att denna följd upprepas i oändlighet. 12 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Exempel: Skriv 0, 89797 . . . = 0, 897 som ett bråk. Låt x = 0, 89797 . . .. Vi har då 1000x = 897, 9797 . . . och 10x = 8, 9797 . . . Alltså gäller 1000x − 10x = 990x = 889. Alltså är x = 889 990 . Observation: Ett tal är rationellt om och endast om det har ändlig eller periodisk decimalutveckling. 13 / 15 Rationella och reella tal Rationella tal Tal som inte har en periodisk decimalutveckling kallas irrationella tal. Exempel: Talet 0, 101001000100001 . . . är irrationellt. Talet 0, a1 a2 a3 . . . ai = 1, om i är ett primtal, 0, annars, är irrationellt. De reella talen R är mängden av alla tal som har en decimalframställning. De reella talen består alltså av de rationella och de irrationella talen. 14 / 15 Rationella och reella tal Nya termer och beteckningar: Rationella tal, Q Decimalframställning Heltalsdel Decimaldel Periodisk framställning, 1, 123123123 . . . = 1, 123 Irrationella tal Reella tal, R 15 / 15