2017-12-18

2.有理数的几何解释

    在一条直线即"数轴"上,我们标出从0到1的线段,(图略)确定从0到1为单位长线段,于是正整数和负整数表示为数轴上一组等距离的点,正数在0的右边,负数在0的左边。为了表示分母为n的分数,(n属于N)如果我们把每一个单位长线段都分为n等份,则毎个分点表示为这样一个数p=k’+k/n=(nK’+K)/n,(其中k’=0,1,2,⋯,n-1;K=1,2,⋯,n),显然(nk’+k)和n都是整数,形如“b/a”,所以任何一个有理数都能用数轴上的点表示,我们称其为“有理点”。如“5/16”就是把0到1单位长分成16等份取5份,即取k’=0,k=5,n=16;“3/2”就是把1到2单位长2等分取1,即k’=1,K=1,n=2;

    对于数轴上的任意有理点A,B,(A不等于B)从原点到A的距离取正数,称为A的绝对值,用符号丨A丨来表示,如果A=>0,则丨A丨=A;如果A<0,则丨A丨=-A,显然A,B同号,丨A+B丨=丨A丨+丨B丨;A,B异号,丨A+B丨<丨A丨+丨B丨,所以对于仼意的A、B,总有丨A+B丨<=丨A丨+丨B丨

    在有理数系中,有一个重要的基本事实可以表述如下:有理点在数轴上是稠密的,意思是说,在每一个不论是多么小的区间中都存在着有理点。这是因为,对于任意的有理点A、B构成的区间[A、B],无论它多么小,我们都可以取一个足够大的n,使区间[0、1/n]小于区间[A、B],这时分数m/n中至少有一个落在区间[A、B]内,因此可得知,任何一个区间中必须有无穷多个有理点,不然任何两个相邻的有理点之间的区间内将不存在有理点,这就会出现矛盾。从有理数的几何解释,我们可以看出来,有理数b/a可以看成是用长度为a的线段去度量长度为b的线段,如果b恰好是a的整倍数,则存在一个整数r,使得b=ra,如果b不是a的整倍数,这时我们把a分为n等份,每一个长度为a/n,使得线段a/n的某个整数m倍等于b,即b=m·a/n=m/n·a,即b/a=m/n,我们说两条线段a和b是可公度的,反过来来说,任何一个有理数在数轴上都是可公度的,如果我们选a为单位线段,则与单位线段可公度的线段将对应于数轴上的全体有理点m/n,就度量的所有实际目的来说,有理数完全足够了,即使从理论上看,由于全体有理点稠密地布满整个直线,似乎直线上所有的点都是有理点,如果这是真的,则任何一线段将和单位长线段可通约,但是情况决不是这么简单,这是早期希腊数学(毕达哥拉斯学派)最惊人的发现之一,存在“不可公度线段”,这一问题将在实数系中讨论。

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