Методические особенности расширения числовых множеств в курсе алгебры. О расширении множества натуральных чисел Отношения между множествами

Лекция №19

По математике

Введение

2. Понятие дроби

6. Действительные числа

Введение

Понятие дроби

В записи дроби

Дробь - называется правильной , если ее числитель меньше знаменателя, и неправильной , если ее числитель больше знаменателя или равен ему.

Вернемся к рисунку 2, где показано, что четвертая часть отрезка е уложилась в отрезке х точно 14 раз. Очевидно, это не единственный вариант выбора такой части отрезка е, которая укладывается в отрезке д: целое число раз. Можно взять восьмую часть отрезка е, тогда отрезок д: будет состоять из 28

28 таких частей и его длина будет выражаться дробью .

Можно взять шестнадцатую часть отрезка е, тогда отрезок х будет состоять из 56 таких частей и его длина будет выражаться дробью .

Вообще длина одного и того же отрезка х при заданном единичном отрезке е может выражаться различными дробями, причем, если длина выражена дробью , то она может быть выражена и любой дробью вида , где k- натуральное число.

Теорема . Для того чтобы дроби и выражали длину одного и того же отрезка, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось равенство mq = nр.

Доказательство этой теоремы мы опускаем.

Определение . Две дроби и называются равными, если mq = np.

Если дроби равны, то пишут = .

Например, = , так как 17 · 21 = 119 · 3 = 357, а ≠ , потому что 17 · 27 = 459, 19 · 23 = 437 и 459≠437.

Из сформулированных выше теоремы и определения следует, что две дроби равны тогда и только тогда, когда они выражают длину одного и того же отрезка.

Нам известно, что отношение равенства дробей рефлексивно, симметрично и транзитивно, т.е. является отношением эквивалентности. Теперь, используя определение равных дробей, это можно доказать.

Теорема . Равенство дробей является отношением эквивалентности.

Доказательство . Действительно, равенство дробей рефлексивно: = , так как равенство mn = mn справедливо для любых натуральных чисел тип. Равенство дробей симметрично: если = , то = , так как из mq = nр следует, что р n = qm (m, n, p, q N). Оно транзитивно: если = и = , то = . В самом деле, так как = , то mq = nр, а так как = , то ps = qr. Умножив обе части равенства mq = nр на s, а равенства рs = qr на n, получим mqs = nps и nps = qrs. Откуда mqs = qrn или ms = nr. Последнее равенство означает, что = . Итак, равенство дробей рефлексивно, симметрично и транзитивно, следовательно, оно является отношением эквивалентности.

Из определения равных дробей вытекает основное свойство дроби. Напомним его.

Если числитель и знаменатель дроби умножить или разделить на одно и то же натуральное число, то получится дробь, равная данной.

На этом свойстве основано сокращение дробей и приведение дробей к общему знаменателю.

Сокращение дробей - это замена данной дроби другой, равной данной, но с меньшим числителем и знаменателем.

Если числитель и знаменатель дроби одновременно делятся только на единицу, то дробь называют несократимой. Например, - несократимая дробь, так как ее числитель и знаменатель делятся одновременно только на единицу, т.е. D(5, 17) =1.

Приведение дробей к общему знаменателю - это замена данных дробей равными им дробями, имеющими одинаковые знаменатели. Общим знаменателем двух дробей и является общее кратное чисел n и q, а наименьшим общим знаменателем - их наименьшее кратное К(n, q).

Задача. Привести к наименьшему общему знаменателю и .

Решение. Разложим числа 15 и 35 на простые множители: 15 = 3·5, 35 = 5·7. Тогда К(15, 35) = 3·5·7 = 105. Поскольку 105= 15·7 = 35·3,то = = , = = .

Действительные числа

Одним из источников появления десятичных дробей является деление натуральных чисел, другим - измерение величин. Выясним, например, как могут получиться десятичные дроби мри измерении длины отрезка.

Пусть х- отрезок, длину которого надо измерить, е- единичный отрезок. Длину отрезка х обозначим буквой X, а длину отрезка е - буквой Е. Пусть отрезок х состоит из n отрезков, равных е, и отрезка х 1 , который короче отрезка е (рис. 3), т.е.

n·Е < X < (n + 1) ·Е. Числа n и n+ 1 есть приближенные значения длины отрезка х при единице длины Е с недостатком и с избытком с точностью до 1.

Чтобы получить ответ с большей точностью, возьмем отрезок е 1 - десятую часть отрезка е и будем укладывать его в отрезке х 1 . При этом возможны два случая.

1) Отрезок е 1 уложился в отрезке х 1 точно n раз. Тогда длина и отрезка х выражается конечной десятичной дробью:

X = ·Е= ·Е. Например, X = 3,4·Е.

2) Отрезок х 1 оказывается состоящим из n отрезков, равных е 1 , и отрезка х 2 , который короче отрезка е 1 . Тогда ·Е<Х ·Е, где и

Приближенные значения длины отрезка х с недостатком и с избытком с точностью до 0,1.

Ясно, что во втором случае процесс измерения длины отрезка х можно продолжать, взяв новый единичный отрезок е 2 -сотую часть отрезка е.

На практике этот процесс измерения длины отрезка на каком-то этапе закончится. И тогда результатом измерения длины отрезка будет либо натуральное число, либо конечная десятичная дробь. Если же представить этот процесс измерения длины отрезка в идеале (как и делают в математике), то возможны два исхода:

1) На k-том шагу процесс измерения окончится. Тогда длина отрезка х выразится конечной десятичной дробью вида .

2) Описанный процесс измерения длины отрезка х продолжается бесконечно. Тогда отчет о нем можно представить символом , который называют бесконечной десятичной дробью.

Как убедиться в возможности второго исхода? Для этого достаточно произвести измерение длины такого отрезка, для которого известно, что его длина выражена, например, рациональным числом 5-. Если бы оказалось, что в результате измерения длины такого отрезка получается конечная десятичная дробь, то это означало бы, что число 5 можно представить в виде конечной десятичной дроби, что невозможно: 5 = 5,666....

Итак, при измерении длин отрезков могут получаться бесконечные десятичные дроби. Но всегда ли эти дроби периодические? Ответ на этот вопрос отрицателен существуют отрезки, длины которых нельзя выразить бесконечной периодической дробью (т.е. положительным рациональным числом) при выбранной единице длины. Это было важнейшим открытием в математике, из которого следовало, что рациональных чисел недостаточно для измерения длин отрезков.

Теорема . Если единицей длины является длина стороны квадрата, то длина диагонали этого квадрата не может быть выражена положительным рациональным числом.

Доказательство . Пусть длина стороны квадрата выражается числом 1. Предположим противное тому, что надо доказать, т.е., что длина диагонали АС квадрата ABCD выражается несократимой дробью . Тогда по теореме Пифагора, выполнялось бы равенство 1 2 +1 2 = . Из него следует, что m 2 = 2п 2 . Значит, m 2 - четное число, тогда и число m -четно (квадрат нечетного числа не может быть четным). Итак, m = 2р. Заменив в равенстве m 2 = 2n 2 число m на 2р, получаем, что 4р 2 = 2n 2 , т.е. 2р 2 = n 2 . Отсюда следует, что n 2 четно, следовательно, n - четное число. Таким образом, числа m и n чётны, значит, дробь можно сократить на 2, что противоречит предположению о её несократимости. Установленное противоречие доказывает, что если единицей длины является длина стороны квадрата, то длину диагонали этого квадрата нельзя выразить рациональным числом.

Из доказанной теоремы следует, что существуют отрезки, длины которых нельзя выразить положительным числом (при выбранной единице длины), или, другими словами, записать в виде бесконечной периодической дроби. И значит, получаемые при измерении длин отрезков бесконечные десятичные дроби могут быть непериодическими.

Считают, что бесконечные непериодические десятичные дроби являются записью новых чисел - положительных иррациональных чисел. Так как часто понятия числа и его записи отождествляют, то говорят, что бесконечные непериодические десятичные дроби - это и есть положительные иррациональные числа.

Мы пришли к понятию положительного иррационального числа через процесс измерения длин отрезков. Но иррациональные числа можно получить и при извлечении корней из некоторых рациональных чисел. Так, , , - это иррациональное числа. Иррациональными являются также tg5, sin 31, числа π = 3,14..., е = 2,7828... и другие

Множество положительных иррациональных чисел обозначают символом J + .

Объединение двух множеств чисел: положительных рациональных и положительных иррациональных называют множеством положительных действительных чисел и обозначают символом R + . Таким образом, Q + J + = R + . При помощи кругов Эйлера эти множества изображены на рисунке 4.

Любое положительное действительное число может быть представлено бесконечной десятичной дробью - периодической (если оно является рациональным), либо непериодической (если оно является иррациональным).

Действия над положительными действительными числами сводятся к действиям над положительными рациональными числами.

Сложение и умножение положительных действительных чисел обладает свойствами коммутативности и ассоциативности, а умножения дистрибутивно относительно сложения и вычитания.

С помощью положительных действительных чисел можно выразить результат измерения любой скалярной величины: длины, площади, массы и т.д. Но на практике часто нужно выразить числом не результат измерения величины, а ее изменение. Причем ее изменение может происходить различно - она может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной. Поэтому, чтобы выразить изменение величины, кроме положительных действительных чисел нужны иные числа, а для этого необходимо расширить множество R + , присоединив к нему число 0 (нуль) и отрицательные числа.

Лекция №19

По математике

Тема: «О расширении множества натуральных чисел»

Введение

2. Понятие дроби

3. Положительные рациональные числа

4. Множество положительных рациональных чисел как расширение множества натуральных чисел

5. Запись положительных рациональных чисел в виде десятичных дробей

6. Действительные числа

Введение

Большинство применений математики связано с измерением величин. Однако для этих целей натуральных чисел недостаточно: не всегда единица величины укладывается целое число раз в измеряемой величине. Чтобы в такой ситуации точно выразить результат измерения, необходимо расширить запас чисел, введя числа, отличные от натуральных. К этому выводу люди пришли еще в глубокой древности: измерение длин, площадей, масс и других величин привело сначала к возникновению дробных чисел - получили рациональные числа, а в V в до н.э. математиками школы Пифагора было установлено, что существуют отрезки, длину которых при выбранной единице длины нельзя выразить рациональным числом. Позднее, в связи с решением этой проблемы, появились числа иррациональные. Рациональные и иррациональные числа назвали действительными. Строгое определение действительного числа и обоснование его свойств было дано в XIX в.

Взаимосвязи между различными множествами чисел (N, Z, Q и R) можно изобразить наглядно при помощи кругов Эйлера (рис. 1).

Действительные числа - не последние в ряду различных чисел. Процесс, начавшийся с расширения множества натуральных чисел, продолжается и сегодня - этого требует развитие различных наук и самой математики.

Знакомство учащихся с дробными числами происходит, как правило, в начальных классах. Затем понятие дроби уточняется и расширяется в средней школе. В связи с этим учителю необходимо владеть понятием дроби и рационального числа, знать правила выполнения действий над рациональными числами, свойства этих действий. Все это нужно не только для того, чтобы математически грамотно ввести понятие дроби и обучать младших школьников выполнять с ними действия, но и, что не менее важно, видеть взаимосвязи множеств рациональных и действительных чисел с множеством натуральных чисел. Без их понимания нельзя решить проблему преемственности в обучении математике в начальных и последующих классах школы.

Отметим особенность изложения материала данного параграфа, которая обусловлена как небольшим объемом курса математики для учителей начальных классов, так и его назначением: материал будет представлен во многом конспективно, часто без строгих доказательств; более подробно будет изложен материал, связанный с рациональными числами.

Расширение множества N натуральных чисел будет происходить в такой последовательности: сначала строится множество Q + положительных рациональных чисел, затем показывается, как его можно расширить до множества R+ положительных действительных чисел, и, наконец, очень кратко описывается расширение множества R+ до множества R всех действительных чисел.

Понятие дроби

Пусть требуется измерить длину отрезка х с помощью единичного отрезка е (рис. 2). При измерении оказалось, что отрезок х состоит из трех отрезков, равных е, и отрезка, который короче отрезка е. В этом случае длина отрезка х не может быть выражена натуральным числом. Однако, если отрезок е разбить на 4 равные части, то отрезок х окажется состоящим из 14 отрезков, равных четвертой части отрезка е.

И тогда, говоря о длине отрезка х, мы должны указать два числа 4 и 14: четвертая часть отрезка е укладывается в отрезке точно 14 раз. Поэтому условились длину отрезка х записывать в виде ·Е, где Е - длина единичного отрезка е, а символ - называть дробью.

В общем виде понятие дроби определяют так.

Пусть даны отрезок х и единичный отрезок е, длина которого Е. Если отрезок х состоит из m отрезков, равных n -ой части отрезка е, то длина отрезка х может быть представлена в виде ·Е, где символ - называют дробью (и читают «эм энных»).

В записи дроби числа m и n- натуральные, m называется числителем, n - знаменателем дроби.

С дошкольного возраста ребенок оперирует натуральными числами, то производя счет предметов, то пересчитывая множество пальцев на руках. Основным понятием при введении понятия множества натуральных чисел N является отношение , которое определяется следующими аксиомами Пеано.

Аксиома 1 . В множестве N существует элемент, непосредственно не следующий ни за каким элементом этого множества, который называется единицей и обозначается символом 1.

Аксиома 2. Для каждого элемента п множества N, существует единственный элемент (п+1) , непосредственно следующий за п .

Аксиома 3. Для каждого элемента п из N существует не более одного элемента (п-1) , за которым непосредственно следует п.

Аксиома 4. Любое подмножество Р множества N совпадает с N , если для него выполняются свойства: 1) 1 содержится в Р ; 2) из того, что п содержится в Р , следует, что и (п+1) содержится в Р .

На основании аксиом Пеано сформулируем определение множества натуральных чисел.

Определение. Множество N, элементы которого удовлетворяют аксиомам 1-4, т.е. находятся в отношении «непосредственно следовать за» , называется множеством натуральных чисел, а его элементы – натуральными числами.

Расширением множества натуральных чисел N является множество целых чисел Z, которое является объединением натуральных чисел, числа нуль и чисел противоположных натуральным числам.

Расширением множества целых чисел является множество рациональных чисел Q, представляющее собой объединение целых и дробных чисел. Множество всех чисел представимых в виде несократимой дроби m/n , где m может быть любым целым числом, (не исключая нуля), т.е. m Î Z, а n – натуральное число, т.е. n Î N, составляют множество рациональных чисел. Любое рациональное число можно записать в виде бесконечной десятичной периодической дроби, и наоборот, любая бесконечная десятичная периодическая дробь представляет собой рациональное число.

Существуют числа, которые нельзя представить в виде несократимой дроби, т.е. не принадлежат множеству рациональных чисел. Такие числа составляют множество иррациональных чисел I , их можно представить в виде бесконечной десятичной непериодической дроби. Например, длина диагонали квадрата со стороной 1 должна выражаться некоторым положительным числом r 2 =1 2 +1 2 (по теореме Пифагора), т.е. таким, что r 2 =2. Число r не может быть целым, 1 2 = 1, 2 2 = 4 и т.д. Число r не может быть и дробным: если r = m/n - несократимая дробь, где n¹1, то r 2 =m 2 /n 2 тоже будет несократимой дробью, где n 2 ¹ 1; значит, m 2 /n 2 не является целым числом, а потому не может равняться 2. Поэтому длина диагонали квадрата выражается иррациональным числом, оно обозначается . Аналогично, не существует рационального числа, квадрат которого равен 5, 7, 10. Соответствующие иррациональные числа обозначаются , , . Противоположные им числа также иррациональны, они обозначаются - ,- ,- .

Множество иррациональных чисел бесконечно. Например, число p, выражающее отношение длины окружности к диаметру, нельзя представить в виде обыкновенной дроби – это иррациональное число.

Множество, элементами которого являются рациональные и иррациональные числа называется множеством действительных чисел и обозначается буквой R. Каждому действительному числу соответствует единственная точка координатной прямой. Каждая точка координатной прямой соответствует единственному действительному числу. Множество действительных чисел называют также числовой прямой.

Нами рассмотрен процесс расширения понятия числа от натуральных к действительным, который был связан с потребностями практики и с нуждами самой математики. Необходимость выполнения деления привела от натуральных чисел к понятию дробных положительных чисел; затем операция вычитания привела к понятиям отрицательных чисел и нуля; далее, необходимость извлечения корней из положительных чисел – к понятию иррационального числа. Множество, на котором выполнимы все эти операции, есть множество действительных чисел, однако не все операции выполнимы на данном множестве. Например, нет возможности извлечь корень квадратный из отрицательного числа или решить квадратное уравнение х 2 + х + 1 = 0. Значит, есть потребность в расширении множества действительных чисел.

Введем число i , такое, что i 2 = - 1. Это число позволит извлекать корни из отрицательных чисел. Итак, расширением множества действительных чисел есть множество комплексных чисел , которое обозначается буквой С . Подробно, с множеством комплексных чисел, мы познакомимся позже.

Будем пользоваться обозначениями:

N - множество натуральных чисел;

Z - множество целых чисел;

Q - множество рациональных чисел,

R - множество действительных чисел

С - множество комплексных чисел.

Первое расширение понятия о числе, которое учащиеся усваивают после ознакомления с натуральными числами, - добавление нуля. Происходит это еще в начальной школе.

Сначала «О» - знак для обозначения отсутствия числа. Почему же нельзя делить на нуль?

Разделить - значит найти такой х , что: х-0 = а. Возможны два случая:

1) а * х: дг-0 * 0. Это невозможно;

2) а = 0, следовательно, надо найти хг. х-0 = 0. Таких х сколько угодно, что противоречит требованию однозначности каждой арифметической операции:

Есть учебники, где основные законы действий считаются справедливыми без необходимых обоснований.

В курсе математики 5-6-х классов имеет место построение множества рациональных чисел. Следует отметить, что последовательность расширений множеств не однозначна. Возможные варианты:

Элементарное понятие о дробном числе дается уже в начальной школе как о нескольких долях единицы.

В основной школе дроби и действия над ними обычно вводятся методом целесообразных задач, придуманным еще С. И. Шохор- Троцким, например, при рассмотрении следующей задачи.

1 кг сахарного песка стоит 15 руб. Сколько стоят 4 кг песка? 5 кг?
- кг?

Ученики могут умножить 15 на 4, на 5, теперь им требуется найти

От 15. Ученики могут разделить на 3, найдя, сколько стоит одна доля 3

килограмма, и умножить на 2, чтобы определить, сколько стоят две таких доли. Поскольку одну и ту же задачу разумно решать одинаковым арифметическим действием, то они приходят к выводу, что эти два последовательных действия равнозначны умножению 15 на -.

При введении дробных чисел желательно учитывать опыт учащихся, опираться на него. С дробями ученики встречаются в музыке. Самые распространенные дроби в ней: две четверти, три четверти, переводя на математический язык: две четвертых, три четвертых. Верхняя цифра обозначает количество долей в такте: две или три. Нижняя цифра обозначает длительность этой доли. В пашем случае - это четверть. В размере две четверти звучат марш, польки. В размере три четверти - вальс. Эти воспоминания помогут ученикам связать новые знания с их опытом, что является необходимым условием достижения понимания.

При изучении действий второй ступени рекомендуется располагать различные случаи умножения на правильную дробь в порядке возрастания трудности: 1) умножение на целое число; 2) умножение целого числа на смешанное число; 3) умножение дроби на смешанное число; 4) умножение на правильную дробь; 5) умножение на дробь, в которой числитель равен знаменателю.

Чтобы показать, что число при делении на правильную дробь увс-

личивается, можно рассмотреть следующую ситуацию: 6: -.

Шесть кружков разрезали на четыре части, частей, конечно, стало больше, чем кружков.

Для введения сложных случаев предлагается задача на вычисление площади прямоугольника.

При любой последовательности изучения дробей есть свои плюсы и минусы.

Если десятичные дроби вводятся раньше обыкновенных, то положительным является то, что:

десятичные дроби могут быть введены при рассмотрении десятичной системы нумерации целых положительных чисел (первая разрядная единица после запятой - десятые доли единицы, а следующая - сотые...);
все арифметические действия проще выполняются для десятичных дробей;
имеют большее практическое применение, чем обыкновенные.

Отрицательным является то, что для обыкновенных дробей всю

теорию дробей надо строить заново, так как нельзя из частного случая делать общие выводы.

Если же обыкновенные дроби вводятся до десятичных, то следует учитывать, что:

десятичные - частный случай обыкновенных, следовательно, все правила действий - как следствия;
действия второй ступени для десятичных дробей как совокупности новых разрядных единиц (для действий первой ступени) невозможны;
действия над некоторыми обыкновенными проще (второй ступени);
основное свойство дроби только на основе общего понятия о дроби.

Для введения отрицательных чисел используются разные приемы.

Так, для обеспечения мотивации может быть использована проблемная ситуация, близкая опыту ребенка.

Робин Гуд, спасаясь от преследователей, проплыл вверх по реке а км, но, оказавшись перед бродом, вынужден был плыть вниз по реке и проплыл b км. Где он оказался от начала своего пути (на каком расстоянии от входа в реку)? Выписав выражение для нахождения неизвестного: х = а - Ь у необходимо рассмотреть все возможные соотношения между аик

1) а > к, 2) а = Ь; 3) а невыполнимо.

Также отрицательные числа могут быть введены:

через рассмотрение величин, которые имеют противоположный смысл (А. П. Киселев);
при рассмотрении характеристик изменений (увеличений и уменьшений) величин;
па основе графических представлений, отрицательные числа как отметки точек на оси (В. Л. Гончаров);
через задачу об изменении уровня воды в реке в течение двух суток (Д. К. Фаддеев и И. С. Соминский): во время сильных дождей уровень воды в реке поднялся на а см в течение суток. В течение следующих суток уровень воды понизился на b см. Какой будет уровень воды по истечении двух суток? (а - Ь);
при изображений расстояний на температурной шкале (А. Н. Барсуков).

Эти приемы могут использоваться и как один из аспектов мотивации. Еще одним аспектом является невозможность выполнения какого-либо действия, как в задаче выше.

Введя сравнение и действия над рациональными числами и свойства действий, мы получили числовое поле. Его дальнейшее расширение уже не может быть продиктовано невыполнением действий. Расширение понятия числа было вызвано геометрическими соображениями, а именно: отсутствием взаимно однозначного соответствия между множеством рациональных чисел и множеством точек числовой прямой. Для геометрии необходимо, чтобы каждая точка числовой прямой имела абсциссу, т.е. чтобы каждому отрезку при данной единице измерения соответствовало число, которое можно было бы принять за его длину.

К необходимости этого расширения приводит и невозможность извлечения корня из положительного числа, нахождение логарифма любого положительного числа при любом положительном основании. Эта цель достигается после того, как поле рациональных чисел (с помощью присоединения к нему системы иррациональных чисел) подвергается расширению до множества действительных чисел.

Отношения между множествами.

1) множества не имеют общих элементов

2) два множества имеют общие элементы

3) одно множество является подмножеством другого. Множество называется подмножеством множества А, если каждый элемент множества В является элементом множества А. Также говорят, что множество В включено в множество А

4) два множества равны. Множества называются равными или совпадающими. Если каждый элемент множества А является элементом множества В и наоборот.

Пустое множество является подмножеством любого множества.

Объединение множеств и его свойства. Пересечение множеств и его свойства.

1. а) объединение двух множеств . Объединением двух множеств А и В называется множество С, состоящее из всех тех элементов, которые принадлежат множеству А или множеству В. Объединение определяется штриховкой и обозначается

А В В А В А В

1) А U В=С, 2) 3) АU В=А, 4) АUВ=А=В.

б) свойства операции объединения множеств:

· коммутативное свойство: АUВ=ВUА

· ассоциативное свойство: АU (ВUС)=(АUВ) UС

· закон поглощения: АUА=А; АUØ=А; АUУ=У.

2. а) пересечение двух множеств . Пересечением двух множеств А и В называется множество С, содержащее все элементы, которые принадлежат и множеству В одновременно.

А В А В А В

1) А∩В= Ø, 2) 3) А∩В=В 4) А∩В=А=В.

б) свойства пересечения:

· коммутативное свойство: А∩В= В∩А

· ассоциативное свойство: А∩(В∩С)=(А∩В)∩С

· закон поглощения: А∩А=А, А∩ Ø= Ø, А∩У=А

Дистрибутивные свойства, связывающие операции объединения и пересечения.

Их можно доказать на кругах Эйлера.

1). АU (В∩С)=(АUВ)∩(АUС)

2). А∩(ВUС)=(А∩В) U (А∩С)

Доказательство. Обозначим левую часть равенства М, а правую – Н. Чтобы доказать верность данного равенства, докажем, что множество М включено в Н, а Н в М.

Пусть 1). (произвольно выбранный элемент).

Принцип расширения числового множества. Множества целых и рациональных чисел, их свойства.

1. Расширяемое множество является подмножеством расширенного множества (натуральные числа являются подмножеством целых) N – множество натуральных чисел, Z – множество целых чисел, Q – множество рациональных чисел, R – множество действительных чисел.

2. Операция арифметических действий в расширяемом R

Множестве, являющаяся алгебраической, выполняется

Точно также и в расширенном множестве. Если в Q

Расширяемом множестве арифметические действия Z

не выполняются, т.е. операция не является N

алгебраической, то в расширенном множестве эта

операция становится алгебраической.

Н-р: вычитание во множестве натуральных чисел

неалгебраическая операция, а во множестве целых чисел – алгебраическая. Деление во множестве целых чисел неалгебраическая, а во множестве рациональных чисел – алгебраическая.

Множество целых чисел (Z) включает в себя множество натуральных чисел, число 0 и числа противоположные натуральным. Множество целых чисел можно расположить на числовой прямой так, что каждому целому числу будет соответствовать одна и только одна точка на числовой прямой. Обратное утверждение не верно, любой точке не всегда будет соответствовать целое число.

Целые числа расположены на числовой прямой на одинаковом расстоянии от 0. Число 0 называется нейтральным элементом. Число, находящееся от заданного числа на таком же расстоянии левее 0, называется противоположным. Сумма двух противоположных чисел равна 0.

Z – является линейно упорядоченным, т.е. для любых чисел А и В, взятых из Z, справедливо одно из следующих отношений А=В, А<В, А>В. Z является счетным множеством. Множество называется счетным, если оно эквивалентно множеству натуральных чисел, т.е. можно установить соответствия между заданным множеством и множеством N.

Покажем, что Z является счетным, т.е. каждому натуральному числу взаимно однозначно (единственным образом) соответствует целое число. Для того, чтобы установить такое соответствие поставим каждому нечетному натуральному числу в соответствие отрицательное целое число. А каждому четному натуральному числу поставим соответствие положительное число. Установив такое соответствие можно показать, что оно будет взаимно однозначным, а значит множество Z является счетным.

Z является дискретным. Множество дискретно, если оно упорядочено и между любыми двумя элементами этого множества находится конечное число элементов данного множества.

Множество рациональных чисел (Q). К рассмотрению дробных чисел привела необходимость измерения различных величин. Впервые дроби появились в ДР. Египте, но рассматривались только как доли 1, т.е. рассматривались только дроби вида 1\н. Дроби появились на геометрической основе при измерении длин отрезков. Н-р. пусть дан отрезок А, чтобы измерить этот отрезок, выбирается в качестве единицы длины другой отрезок Е и укладывается в заданном. если оказывается, что отрезок Е уложится равное число раз, то длина отрезка А выражается натуральным числом. Но часто оказывалось, что отрезок Е укладывался неравное число раз. Тогда его разбивали на более мелкие части и получали отрезок Е 1 и уже этот отрезок укладывали в заданном отрезке А. Тогда длина отрезка А измерялась парой натуральных чисел. Первое число показывало, сколько раз в отрезке А уложился отрезок Е. Второе число показывало, сколько раз уложился отрезок Е 1 в остатке отрезка А после измерения отрезка Е. Эта пара чисел и определяла дробь. Запись вида м\н называется дробью, где м и н натуральные числа. Две дроби называют эквивалентными (равносильными), если произведение числителя первой дроби на знаменатель второй равно произведению знаменателя первой дроби на числитель второй.

Свойства множества рациональных чисел . 1). Q является линейно упорядоченным, т.е.для любых рациональных чисел А и В выполняется одно из отношений А=В, А>В, А<В. Рациональное число , если a*d>b*c . Докажем, что Q линейно упорядоченное и отношение является отношением строгого порядка.

Докажем антисимметричность . Из того, что , из того, что дробь . Т.К. во множестве натуральных чисел отношение «больше» антисимметрично, можно записать .

Докажем транзитивность отношения «больше».

Если , то

Так как произведение (bc)n=(cn)b и отношение «больше» в множестве натуральных чисел транзитивно → (ad)n>(dm)b | сократим на d

Так как выполняются свойства антисимметричности и транзитивности, то отношение «больше» является отношением строгого порядка.

2). Любому рациональному числу можно поставить в соответствие единственную точку числовой прямой. Обратное утверждение неверно.

3). Q является множеством всюду плотным. Числовое множество называется всюду плотным, если оно линейно упорядочено и между любыми двумя его элементами находится бесконечное количество элементов заданного множества. Для доказательства этого выберем на числовой прямой два рациональных числа к 1 , к 2 . докажем. Что между ними находится бесконечно много рациональных чисел. Используем операцию нахождения среднего арифметического

К 1 к 4 к 3 к 5 к 2

Число к – рациональное, так как операция сложения и деления на 2 определены. Процесс нахождения среднеарифметического всегда выполним и бесконечен, т.е. между к и к находится бесконечно много рациональных чисел.

4). Q – счетное множество, так как оно равномощно множеству натуральных чисел.

3 . Разность между множествами, дополнение одного множества до другого. Свойства разности и дополнения. Разностью множеств А и В называется множество С, элементы которого принадлежат множеству А, но не принадлежат множеству В. Если множество В является подмножеством множества А, то разность между множествами А и В называется дополнением множества В до множества А.

А В \ - разность А В

А={a 1, a 2 , a 3 ...a k } n(A)=k

B={b 1 , b 2 , b 3 ,…b t } n(B)=t

Докажем, что n(AUB)=k+t

AUB={a 1 , a 2 , a 3 ,…a k , b k+1 , b k+2 ,…b k+t }

A∩B=Ø n(AUB)=k+t

n(AUB)=n(A)+n(B).

2. Если множества пересекаются. Число элементов объединения двух конечных пересекающихся множеств равно разности между суммой численности этих множеств и численности пересечения данных множеств. Доказательство.

A={a 1 , a 2 , a 3 ,…a s, a s+1, a s+2…… a s+t } n(A)=s+t

B={a 1 , a 2 , a 3 , …a s , b s+1 , b s + 2 , b s + 3 ,…s+k } n(B)=s+k

A∩B={a 1 , a 2 , a 3 ,…a s } n(A∩B)=s

AUB={a 1 , a 2 ,…a s …a s+t , b s+1 , b s + 2 , b s + 3 …b s + k }

n(AUB=s+t+k=s+t+k+s-s=(s+t)+(s+k)-s, тогда

n(AUB)=n(A)+n(B)-n(A∩B);

3. Число элементов дополнения конечного множества А до конечного множества В равно разности численности этих множеств. Доказательство.

B={b 1 , b 2 , b 3 …b k }

А={b 1 , b 2 , b 3 ,……b m } m

(B\A)={b m+1 , b m+2 ,…b k } n(B\A)=k-m Þ