【—实数的重要】按性质分类是:正数、负数、0,按定义分类是:有理数、无理数。
实数
实数可以用通过收敛于一个唯一实数的十进制或二进制展开如 {3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415,…} 所定义的序列的方式而构造为有理数的补全。实数可以不同方式从有理数构造出来。这里给出其中一种,其他方法请详见实数的构造。
公理的方法
设 R 是所有实数的集合,则:
集合 R 是一个域: 可以作加、减、乘、除运算,且有如交换律,结合律等常见性质。
域 R 是个有序域,即存在全序关系≥ ,对所有实数 x, y 和 z:
若 x ≥ y 则 x + z ≥ y + z;
若 x ≥ 0 且 y ≥ 0 则 xy ≥ 0。
集合 R 满足完备性,即任意 R 的有空子集S ( S∈R,S≠Φ),若 S 在 R 内有上界,那么 S 在 R 内有上确界。
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界,如 1.5;但是不存在有理数上确界(因为 √2 不是有理数)。
实数通过上述性质唯一确定。更准确的说,给定任意两个有序域 R1 和 R2,存在从 R1 到 R2 的唯一的域同构,即代数学上两者可看作是相同的。
相关性质基本运算
实数可实现的基本运算有加、减、乘、除、乘方等,对非负数(即正数和0)还可以进行开方运算。实数加、减、乘、除(除数不为零)、平方后结果还是实数。任何实数都可以开奇次方,结果仍是实数,只有非负实数,才能开偶次方其结果还是实数。
四则运算封闭性
实数集R对加、减、乘、除(除数不为零)四则运算具有封闭性,即任意两个实数的和、差、积、商(除数不为零)仍然是实数。
实数集有序性
实数集是有序的,即任意两个实数a、b必定满足下列三个关系之一:ab.
实数的传递性
实数大小具有传递性,即若a>b,b>c,则有a>c.
实数的阿基米德性
实数具有阿基米德(Archimedes)性,即对任何a,b ∈R,若b>a>0,则存在正整数n,使得na>b.
实数的稠密性
实数集R具有稠密性,即两个不相等的实数之间必有另一个实数,既有有理数,也有无理数.
实数唯一性
如果在一条直线(通常为水平直线)上确定O作为原点,指定一个方向为正方向(通常把指向右的方向规定为正方向),并规定一个单位长度,则称此直线为数轴。任一实数都对应与数轴上的唯一一个点;反之,数轴上的每一个点也都唯一的表示一个实数。于是,实数集R与数轴上的点有着一一对应的关系。
完备性
作为度量空间或一致空间,实数集合是个完备空间,它有以下性质:
所有实数的柯西序列都有一个实数极限。
有理数集合就不是完备空间。例如,(1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, 1.41421, ...) 是有理数的柯西序列,但没有有理数极限。实际上,它有个实数极限 √2。实数是有理数的完备化——这亦是构造实数集合的一种方法。
极限的存在是微积分的基础。实数的完备性等价于欧几里德几何的直线没有“空隙”。
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