实数域

更新时间:2022-08-25 15:13

实数域,是实数所在的有理集合,具有连续性完备性、有序性等性质。

历史

埃及人早在公元前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就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。在1871年,德国数学家康托尔最早地全面地给出了实数的定义。

背景

实数,是一种能和数轴上的点一一对应的数。本来实数只叫作“”,后来引入的虚数概念,数系扩充到复数系,原本的数便称作“实数”,意义是“实在的数”。

实数可以分为有理数无理数两类,或代数数超越数两类,或正数负数和零。实数集通常用字母R表示。而用 Rn 来代表n维实数空间 (n-dimensional real space)。

实数是可以用来测量连续的量的。实数的个数是无穷的。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(floating point numbe)

公理系统

实数可以不同方式从有理数(即分数)构作出来。设 R 是所有实数的集合,则:集合 R 是一个体:可以作加、减、乘、除、乘方运算,且有如交换律,结合律等运算律。

集合 R 是有序的:设 ,则:若 则

若 且 则 。

集合 R 是完整的:设 R 的一个非空的子集S,如果S在R内有上限,那么S在R内有最小上限。

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限, 但是不存在有理数最小上限。实数是唯一适合以上特性的集合:亦即如有两个如此集合,则两者之间必存在代数学上所称的域同构,即代数学上两者可看作是相同的。

特性

连续性

数轴上的任何一点都可以用一个实数来表示,每个实数也对应着数轴上的一个点,可见全体实数正好铺满了数轴,这个性质称为实数的连续性。

有序性

对于任意a,b ∈R,必满足下述三个关系之一:

(i) a

(ii) a=b

(iii) a>b

对任意 ,若 , ,则存在正整数n,使得

推论: 任意两个不相等的实数间必然存在一个有理数(1)。

证明:

设 ,且 。由阿基米德性,必存在自然数N,使得 。

任意取定有理数 ,由于 ,a-γ(0)》0 ,故存在 ,使得 。可见,数列 中总有一项大于a。

设 为此数列第一个大于α的项,于是 ,故

即 ,而 显然为有理数,即证。

类似可以证明:任意两个不相等的实数之间必存在一个无理数。于是有:任意两个不相等的实数之间必有一个实数。

(1)也可以描述为:在任意一个区间(α,β)内都存在有理数。

由此可见,有理数在实数集中是密集分布的,但仍有“缝隙”,这些“缝隙”则有无穷多的无理数填满。

完备性

①所有实数的柯西序列都有一个实数极限。

②有理数集并非拓扑完备,例如 (1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, 1.41421, …) 是有理数的柯西序列却没有有理数极限。但它却有个实数极限 √2。实数集是有理数集的空备化——这亦是其中一个构作实数集的方法。

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

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