Классы чисел — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показаны 54 промежуточные версии 5 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{В разработке}}
+
==Определение натуральных чисел==
 
+
''Oсновная статья:'' [[Натуральные числа | Натуральные числа]]
'''Натура́льные чи́сла''' (естественные числа) — числа, возникающие естественным образом при счёте (как в смысле перечисления, так и в смысле исчисления).
+
===Неформальное определение===
 
Отрицательные и нецелые числа натуральными числами не являются.
 
  
Множество всех натуральных чисел принято обозначать знаком <math>\mathbb{N}</math>. Множество натуральных чисел является бесконечным, так как для любого натурального числа найдётся большее его натуральное число.
+
{{Определение
 
+
|definition=
==Определение натуральных чисел==
+
'''Натура́льные чи́сла''' (англ. ''natural numbers'', естественные числа) — числа, возникающие естественным образом при счёте (как в смысле перечисления, так и в смысле исчисления).
===Неформатное определение===
+
}}
  
 
Существуют два подхода к определению натуральных чисел — числа, используемые при:
 
Существуют два подхода к определению натуральных чисел — числа, используемые при:
Строка 14: Строка 12:
 
* '''обозначении количества предметов''' (''нет предметов'', ''один предмет'', ''два предмета''…). Принят в трудах Николя Бурбаки, где натуральные числа определяются как мощность конечных множеств.
 
* '''обозначении количества предметов''' (''нет предметов'', ''один предмет'', ''два предмета''…). Принят в трудах Николя Бурбаки, где натуральные числа определяются как мощность конечных множеств.
  
===Аксиомы Пеано===
+
Отрицательные и нецелые числа натуральными числами не являются.
  
Множество <math>\mathbb N</math> будем называть множеством натуральных чисел, если зафиксирован некоторый элемент <math> 1\in\mathbb N</math> (единица) и функция <math>S\colon\mathbb N\to\mathbb N</math> (функция следования) так, что выполнены следующие условия
+
Множество всех натуральных чисел принято обозначать знаком <tex>\mathbb{N}</tex>. Множество натуральных чисел является бесконечным, так как для любого натурального числа найдётся большее его натуральное число.
# <math>1\in\mathbb{N}</math> (<math>1</math> является натуральным числом);
+
 
# Если <math>x\in\mathbb{N}</math>, то <math>S(x)\in\mathbb{N}</math> (Число, следующее за натуральным, также является натуральным);
+
===Формальное определение===
# <math>\nexists x\in\mathbb{N}\ (S(x) = 1)</math> ('''1''' не следует ни за каким натуральным числом);
+
Определить множество натуральных чисел позволяют '''аксиомы Пеано''' (англ. ''Peano axioms''):
# Если <math>S(b)=a</math> и <math>S(c)=a</math>, тогда <math>b=c</math> (если натуральное число <math>a</math> непосредственно следует как за числом <math>b</math>, так и за числом <math>c</math>, то <math>b=c</math>);
+
{{Определение
# '''Аксиома индукции'''. Пусть <math>P(n)</math> — некоторый одноместный предикат, зависящий от параметра — натурального числа <math>n</math>. Тогда:
+
|definition=
:: если <math>P(1)</math> и <math>\forall n\;(P(n)\Rightarrow P(S(n)))</math>, то <math>\forall n\;P(n)</math>
+
Множество <tex>\mathbb N</tex> будем называть '''множеством натуральных чисел''', если зафиксирован некоторый элемент <tex> 1\in\mathbb N</tex> (единица) и функция <tex>S\colon\mathbb N\to\mathbb N</tex> (функция следования) так, что выполнены следующие условия
:: ('''Если''' некоторое высказывание <math>P</math> верно для <math>n=1</math> (''база индукции'') и для любого <math>n</math> при допущении, что верно <math>P(n)</math>, верно и <math>P(n+1)</math> ''(индукционное предположение)'', '''то''' <math>P(n)</math> верно для любых натуральных <math>n</math>).
+
# <tex>1\in\mathbb{N}</tex> (<tex>1</tex> является натуральным числом);
 +
# Если <tex>x\in\mathbb{N}</tex>, то <tex>S(x)\in\mathbb{N}</tex> (Число, следующее за натуральным, также является натуральным);
 +
# <tex>\nexists x\in\mathbb{N}\ (S(x) = 1)</tex> (<tex>1</tex> не следует ни за каким натуральным числом);
 +
# Если <tex>S(b)=a</tex> и <tex>S(c)=a</tex>, тогда <tex>b=c</tex> (если натуральное число <tex>a</tex> непосредственно следует как за числом <tex>b</tex>, так и за числом <tex>c</tex>, то <tex>b=c</tex>);
 +
# '''Аксиома индукции'''. Пусть <tex>P(n)</tex> — некоторый одноместный предикат, зависящий от параметра — натурального числа <tex>n</tex>. Тогда:
 +
:: если <tex>P(1)</tex> и <tex>\forall n\;(P(n)\Rightarrow P(S(n)))</tex>, то <tex>\forall n\;P(n)</tex>
 +
:: ('''Если''' некоторое высказывание <tex>P</tex> верно для <tex>n=1</tex> (''база индукции'') и для любого <tex>n</tex> при допущении, что верно <tex>P(n)</tex>, верно и <tex>P(n+1)</tex> ''(индукционное предположение)'', '''то''' <tex>P(n)</tex> верно для любых натуральных <tex>n</tex>).
 +
}}
  
 
===Теоретико-множественное определение===
 
===Теоретико-множественное определение===
Строка 30: Строка 35:
  
 
Таким образом, и натуральные числа вводятся, исходя из понятия множества, по двум правилам:
 
Таким образом, и натуральные числа вводятся, исходя из понятия множества, по двум правилам:
* <math>0=\varnothing</math>
+
* <tex>0=\varnothing</tex>
* <math>S(n)=n\cup\left\{n\right\}</math>
+
* <tex>S(n)=n\cup\left\{n\right\}</tex>
 
Числа, заданные таким образом, называются ординальными.
 
Числа, заданные таким образом, называются ординальными.
  
 
Первые несколько ординальных чисел и соответствующие им натуральные числа:
 
Первые несколько ординальных чисел и соответствующие им натуральные числа:
* <math>0=\varnothing</math>
+
* <tex>0=\varnothing</tex>
* <math>1=\left\{\varnothing\right\}</math>
+
* <tex>1=\left\{\varnothing\right\}</tex>
* <math>2=\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}</math>
+
* <tex>2=\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}</tex>
* <math>3=\Big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\},\;\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}\Big\}</math>
+
* <tex>3=\Big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\},\;\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}\Big\}</tex>
  
Классы эквивалентности этих множеств относительно биекций также обозначают 0, 1, 2, .
+
Классы эквивалентности этих множеств относительно биекций также обозначают <tex>0, 1, 2, \dots.</tex>
  
 
Перечисленные аксиомы отражают наше интуитивные представления о «натуральном ряде».
 
Перечисленные аксиомы отражают наше интуитивные представления о «натуральном ряде».
  
 +
==Определение целых, рациональных, вещественных и комплексных чисел==
 +
 +
===Определение целых чисел===
 +
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Множество '''целых чисел''' (англ. ''integers'') <tex>\mathbb{Z}=\{\dots,-2,-1,0,1,2,\dots\}\,</tex>  определяется как замыкание множества натуральных чисел <tex>\mathbb{N}</tex> относительно арифметических операций сложения <tex>(+)</tex> и вычитания <tex>(-)</tex>.
 +
}}
 +
Таким образом, сумма, разность и произведение двух целых чисел есть снова целые числа. Оно состоит из натуральных чисел <tex>(1, 2, 3)</tex>, чисел вида '''-n''' (<tex>n\in\mathbb{N}</tex>) и числа ноль.
 +
 +
Необходимость рассмотрения целых чисел продиктована невозможностью (в общем случае) вычесть из одного натурального числа другое. Целые числа являются кольцом относительно операций сложения и умножения.
 +
 +
Отрицательные числа ввели в математический обиход Михаэль Штифель (1487—1567) в книге «Полная арифметика» (1544), и Никола Шюке (1445—1500).
 +
 +
===Определение рациональных чисел===
 +
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Множество рациональных чисел (англ. ''rational numbers'') обозначается <tex>\mathbb{Q}</tex> и может быть записано в виде:
 +
: <tex>\mathbb{Q} = \left\{ \dfrac{m}{n} \mid m \in \mathbb{Z}, n \in \mathbb{N} \right\}.</tex>
 +
}}
 +
Нужно понимать, что численно равные дроби такие как, например, <tex>\dfrac{3}{4}</tex> и <tex>\dfrac{9}{12}</tex>, входят в это множество как одно число. Поскольку делением числителя и знаменателя дроби на их наибольший общий делитель можно получить единственное несократимое представление рационального числа, то можно говорить об их множестве как о множестве ''несократимых'' дробей со [[Взаимно простые числа|взаимно простыми]] целым числителем и натуральным знаменателем:
 +
: <tex>\mathbb{Q} = \left\{ \dfrac{m}{n} \mid m \in \mathbb{Z}, n \in \mathbb{N}, \gcd(m,n) = 1 \right\}.</tex>
 +
Здесь <tex>\gcd(m, n)</tex> — наибольший общий делитель чисел <tex>m</tex> и <tex>n</tex>.
 +
 +
Множество рациональных чисел является естественным обобщением множества целых чисел. Легко видеть, что если у рационального числа <tex>a=\dfrac{m}{n}</tex> знаменатель <tex>n=1</tex>, то <tex>a=m</tex> является целым числом. В этой связи возникают некоторые обманчивые предположения. Однако, хотя кажется, что рациональных чисел больше чем целых, и тех и других счётное число (то есть оба они могут быть перенумерованы натуральными числами, причём явно).
 +
 +
===Определение вещественных чисел===
 +
''Oсновная статья:'' [[Вещественные числа | Вещественные числа]]
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
'''Веще́ственное число''' (англ. ''real number'') — математическая абстракция, возникшая из потребности измерения геометрических и физических величин окружающего мира, а также проведения таких операций как извлечение корня, вычисление логарифмов, решение алгебраических уравнений.
 +
}}
 +
 +
С точки зрения современной математики, множество вещественных чисел — суть, непрерывное упорядоченное поле. Это определение, или эквивалентная система аксиом, в точности определяет понятие вещественного числа в том смысле, что существует только одно, с точностью до изоморфизма, непрерывное упорядоченное поле.
 +
 +
Множество вещественных чисел имеет стандартное обозначение — <big>'''''R'''''</big> (полужирное «R»), или <tex>\mathbb{R}</tex> (blackboard bold «R») от realis — действительный.
 +
 +
===Определение комплексных чисел===
 +
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
'''Ко́мпле́ксные чи́сла''' (англ. ''complex number'') — расширение множества вещественных чисел, обычно обозначается <tex>\mathbb{C}</tex>.
 +
Любое комплексное число может быть представлено как формальная сумма <tex>x+iy</tex>, где <tex>x</tex> и <tex>y</tex> — вещественные числа, <tex>i</tex> — мнимая единица (одно из решений уравнения <tex>x^2 = -1</tex>).
 +
}}
 +
Комплексные числа образуют алгебраически замкнутое поле — это означает, что многочлен степени <tex>n</tex> с комплексными коэффициентами имеет ровно <tex>n</tex> комплексных корней, то есть верна основная теорема алгебры. Это одна из основных причин широкого применения комплексных чисел в математических исследованиях.
 +
 +
 +
== См. также ==
 +
*[[Натуральные числа | Натуральные числа]]
 +
*[[Вещественные числа | Вещественные числа]]
 +
*[[Простые числа | Простые числа]]
 +
*[[Основная теорема арифметики | Основная теорема арифметики]]
 +
 +
 +
== Источники информации ==
 +
* [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE/ Натуральные числа]
 +
* [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%BE%D0%BC%D1%8B_%D0%9F%D0%B5%D0%B0%D0%BD%D0%BE/ Аксиомы Пеано]
 +
 +
[[Категория: Теория чисел]]
 
[[Категория: Классы чисел]]
 
[[Категория: Классы чисел]]

Текущая версия на 19:03, 4 сентября 2022

Определение натуральных чисел

Oсновная статья: Натуральные числа

Неформальное определение

Определение:
Натура́льные чи́сла (англ. natural numbers, естественные числа) — числа, возникающие естественным образом при счёте (как в смысле перечисления, так и в смысле исчисления).


Существуют два подхода к определению натуральных чисел — числа, используемые при:

  • перечислении (нумеровании) предметов (первый, второй, третий…) — подход, общепринятый в большинстве стран мира (в том числе и в России);
  • обозначении количества предметов (нет предметов, один предмет, два предмета…). Принят в трудах Николя Бурбаки, где натуральные числа определяются как мощность конечных множеств.

Отрицательные и нецелые числа натуральными числами не являются.

Множество всех натуральных чисел принято обозначать знаком [math]\mathbb{N}[/math]. Множество натуральных чисел является бесконечным, так как для любого натурального числа найдётся большее его натуральное число.

Формальное определение

Определить множество натуральных чисел позволяют аксиомы Пеано (англ. Peano axioms):

Определение:
Множество [math]\mathbb N[/math] будем называть множеством натуральных чисел, если зафиксирован некоторый элемент [math] 1\in\mathbb N[/math] (единица) и функция [math]S\colon\mathbb N\to\mathbb N[/math] (функция следования) так, что выполнены следующие условия
  1. [math]1\in\mathbb{N}[/math] ([math]1[/math] является натуральным числом);
  2. Если [math]x\in\mathbb{N}[/math], то [math]S(x)\in\mathbb{N}[/math] (Число, следующее за натуральным, также является натуральным);
  3. [math]\nexists x\in\mathbb{N}\ (S(x) = 1)[/math] ([math]1[/math] не следует ни за каким натуральным числом);
  4. Если [math]S(b)=a[/math] и [math]S(c)=a[/math], тогда [math]b=c[/math] (если натуральное число [math]a[/math] непосредственно следует как за числом [math]b[/math], так и за числом [math]c[/math], то [math]b=c[/math]);
  5. Аксиома индукции. Пусть [math]P(n)[/math] — некоторый одноместный предикат, зависящий от параметра — натурального числа [math]n[/math]. Тогда:
если [math]P(1)[/math] и [math]\forall n\;(P(n)\Rightarrow P(S(n)))[/math], то [math]\forall n\;P(n)[/math]
(Если некоторое высказывание [math]P[/math] верно для [math]n=1[/math] (база индукции) и для любого [math]n[/math] при допущении, что верно [math]P(n)[/math], верно и [math]P(n+1)[/math] (индукционное предположение), то [math]P(n)[/math] верно для любых натуральных [math]n[/math]).


Теоретико-множественное определение

Согласно теории множеств, единственным объектом конструирования любых математических систем является множество.

Таким образом, и натуральные числа вводятся, исходя из понятия множества, по двум правилам:

  • [math]0=\varnothing[/math]
  • [math]S(n)=n\cup\left\{n\right\}[/math]

Числа, заданные таким образом, называются ординальными.

Первые несколько ординальных чисел и соответствующие им натуральные числа:

  • [math]0=\varnothing[/math]
  • [math]1=\left\{\varnothing\right\}[/math]
  • [math]2=\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}[/math]
  • [math]3=\Big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\},\;\big\{\varnothing,\;\left\{\varnothing\right\}\big\}\Big\}[/math]

Классы эквивалентности этих множеств относительно биекций также обозначают [math]0, 1, 2, \dots.[/math]

Перечисленные аксиомы отражают наше интуитивные представления о «натуральном ряде».

Определение целых, рациональных, вещественных и комплексных чисел

Определение целых чисел

Определение:
Множество целых чисел (англ. integers) [math]\mathbb{Z}=\{\dots,-2,-1,0,1,2,\dots\}\,[/math] определяется как замыкание множества натуральных чисел [math]\mathbb{N}[/math] относительно арифметических операций сложения [math](+)[/math] и вычитания [math](-)[/math].

Таким образом, сумма, разность и произведение двух целых чисел есть снова целые числа. Оно состоит из натуральных чисел [math](1, 2, 3)[/math], чисел вида -n ([math]n\in\mathbb{N}[/math]) и числа ноль.

Необходимость рассмотрения целых чисел продиктована невозможностью (в общем случае) вычесть из одного натурального числа другое. Целые числа являются кольцом относительно операций сложения и умножения.

Отрицательные числа ввели в математический обиход Михаэль Штифель (1487—1567) в книге «Полная арифметика» (1544), и Никола Шюке (1445—1500).

Определение рациональных чисел

Определение:
Множество рациональных чисел (англ. rational numbers) обозначается [math]\mathbb{Q}[/math] и может быть записано в виде:
[math]\mathbb{Q} = \left\{ \dfrac{m}{n} \mid m \in \mathbb{Z}, n \in \mathbb{N} \right\}.[/math]

Нужно понимать, что численно равные дроби такие как, например, [math]\dfrac{3}{4}[/math] и [math]\dfrac{9}{12}[/math], входят в это множество как одно число. Поскольку делением числителя и знаменателя дроби на их наибольший общий делитель можно получить единственное несократимое представление рационального числа, то можно говорить об их множестве как о множестве несократимых дробей со взаимно простыми целым числителем и натуральным знаменателем:

[math]\mathbb{Q} = \left\{ \dfrac{m}{n} \mid m \in \mathbb{Z}, n \in \mathbb{N}, \gcd(m,n) = 1 \right\}.[/math]

Здесь [math]\gcd(m, n)[/math] — наибольший общий делитель чисел [math]m[/math] и [math]n[/math].

Множество рациональных чисел является естественным обобщением множества целых чисел. Легко видеть, что если у рационального числа [math]a=\dfrac{m}{n}[/math] знаменатель [math]n=1[/math], то [math]a=m[/math] является целым числом. В этой связи возникают некоторые обманчивые предположения. Однако, хотя кажется, что рациональных чисел больше чем целых, и тех и других счётное число (то есть оба они могут быть перенумерованы натуральными числами, причём явно).

Определение вещественных чисел

Oсновная статья: Вещественные числа

Определение:
Веще́ственное число (англ. real number) — математическая абстракция, возникшая из потребности измерения геометрических и физических величин окружающего мира, а также проведения таких операций как извлечение корня, вычисление логарифмов, решение алгебраических уравнений.


С точки зрения современной математики, множество вещественных чисел — суть, непрерывное упорядоченное поле. Это определение, или эквивалентная система аксиом, в точности определяет понятие вещественного числа в том смысле, что существует только одно, с точностью до изоморфизма, непрерывное упорядоченное поле.

Множество вещественных чисел имеет стандартное обозначение — R (полужирное «R»), или [math]\mathbb{R}[/math] (blackboard bold «R») от realis — действительный.

Определение комплексных чисел

Определение:
Ко́мпле́ксные чи́сла (англ. complex number) — расширение множества вещественных чисел, обычно обозначается [math]\mathbb{C}[/math]. Любое комплексное число может быть представлено как формальная сумма [math]x+iy[/math], где [math]x[/math] и [math]y[/math] — вещественные числа, [math]i[/math] — мнимая единица (одно из решений уравнения [math]x^2 = -1[/math]).

Комплексные числа образуют алгебраически замкнутое поле — это означает, что многочлен степени [math]n[/math] с комплексными коэффициентами имеет ровно [math]n[/math] комплексных корней, то есть верна основная теорема алгебры. Это одна из основных причин широкого применения комплексных чисел в математических исследованиях.


См. также


Источники информации