对于现在我们所得到的实数集,我们可以给出几种不同的分类方式。
分类一:实数划分为正实数、负实数、零。
在这种分类中,需要特别指明的是:零既非正数,又非负数。
分类二:实数可以划分为有理数与无理数。进一步,有理数包括整数与分数。整数包括正整数(自然数)、零、负整数。
这是最常使用的一种分类方式。
分类三:实数可按小数进行分类。按这种分类方式,实数可分为有限小数、无限循环小数与无限不循环小数。前两者对应于有理数,而后者对应于无理数。
分类四:实数可以按连分数划分。可以证明:每一简单连分数表示一个实数。反之,每一实数基本上能够唯一地表成简单连分数。每一无理数只有一种唯一的方法表成无限简单连分数。任一有理数有且仅有两种方法表成简单有限连分数。这里的原因在于如1/2又可以表成所造成的,显然这两者都是渐近分数,但是两者表示不同。除此之外,就不再有其他表示了。
分类五:实数可以划分为代数数与超越数。
在这种分类中我们想指出几点:
其一,有理数包含在代数数中,实际上有理数即一次代数数。可见,有理数只是代数数中很小的一部分。
其二,属于代数数的无理数与有理数之间有着许多相似的性质。事实上,许多有理数具有的性质都可以推广到代数数上。
而代数数与超越数之间则有着更大的区别。这些区别随着人们对代数数、超越数性质认识的加深,从某种角度来看,可以说超越数是比代数数更加无理的数。
另外,需要指明一点,代数数与超越数的划分可以在实数范围内进行。但一般的是在更大的一类数集,即下一章中要介绍的复数集中进行的。
对于我们现在已有的实数集与它的子集来说,我们想进一步了解一下它们的性质。
关于实数集及它的子集,我们知道:
第一,对于两个任意的实数a和b,我们总能说出孰大孰小。再者,若a大于b,b大于c,那么a也就大于c。对此,我们说实数集是有序的。对于有理数集与无理数集来说,这一性质也是成立的。
第二,实数集中既没有第一数也没有最末一数:不论一个多么大的正实数,仍然还有一个比它更大;不论一个多么小的负数,也还有一个比它更小。这一点,我们的说法是实域由负无限大伸展到正无限大。即在实数集中不存在最小数,也不存在最大数。这样的性质在其他集合中又如何呢?可以发现,在整个有理数集或无理数集中仍然成立,但对自然数来说就不再成立了。即自然数集中存在最小数。这就是自然数集具有的独特性质之一,由此才引出了最小数原理或数学归纳法。
第三,实数集合是连续的。这一性质对于有理数集、无理数集或整数集、自然数集就不再是成立的。当然实数集还是处处稠密的。任何两个实数不论其区间是多么小,中间总可以插入无限个其他实数。这一性质对于有理数集、无理数集也仍然是成立的。但对整数集与自然数集却不再成立了。
我们再来看一下实数关于数的运算具有的性质。先来看一下实数的加法运算具有什么性质:
1)任意两个实数的和仍然是实数。这一性质被称为实数关于加法的封闭性。显然这一性质对于有理数集、自然数集是成立的。但对无理数集就不成立。
2)实数加法具有交换性。即a+b=b+a。
3)实数加法具有结合性。即(a+b)+c=a+(b+c)。
4)存在零元素。即存在唯一一个数,任意数加上它以后数值不变。这个唯一的数就是独特的数零。它具有性质a+0=0+a。这样的性质在有理数集、整数集或自然数集中仍然保持,但对于无理数集而言就不存在这种零元素。
5)任何实数存在相反数。即如果a是任意实数,则有唯一确定的实数(称为它的相反数,并记为-a),具有性质:a+(-a)=(-a)+a=0
再来看看实数关于乘法运算具有的性质:
1)任意两个实数的积仍然是实数。这一性质被称为实数关于乘法的封闭性。
2)实数乘法具有交换性。即a×b=b×a
3)实数乘法具有结合性。即(a×b)×c=a×(b×c)
4)在实数系内存在单位元素,即存在唯一一个数(称为一,并记为1),具有性质a×1=1×a=a。这样的性质在有理数系、整数系或自然数系中仍然保持,但在无理数系内就不存在这种单位元素。
5)任何非零实数具有倒数。即如果a是任意非零实数,则有唯一一个实数(称为a的倒数,并记为1/a,或a-1),使得aa-1=a-1a=1
6)任意两个非零实数的积不可能为零,即如果a≠0b≠0,则ab≠0
7)消去性,即如果ax=ay(a≠0),则x=y
不要因为这些性质是显然的,而觉得我们指出它们是多此一举。完全不是这样。这些看似简单的性质实际上决定了不同数集之间根本性的差别。
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