Что такое множество действительных чисел

04.06.202211.06.2022 admin 0 Comments

Алгебра и начала математического анализа. 10 класс

Конспект урока

Алгебра и начала математического анализа, 10 класс

Урок №15. Действительные числа.

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме

1) множество иррациональных чисел;

2) множество рациональных чисел;

3) правила выполнения действий с бесконечными десятичными дробями;

4)определение бесконечно убывающей геометрической прогрессии.

Иррациональные числа— это действительные числа, которые нельзя представить в виде обыкновенной дроби. Иррациональное число может быть представлено в виде бесконечной непериодической дроби, т.е. числа после запятой в записи данного числа не повторяются.

Дробные числа – это числа, которые можно записать в виде обыкновенной дроби.

Все основные действия над рациональными числами сохраняются и для действительных чисел (переместительный, сочетательный и распределительный законы, правила сравнения, правила раскрытия скобок и т.д.).

Арифметические операции над действительными числами обычно заменяются операциями над их приближениями.

Геометрическая прогрессия называется бесконечно убывающей, если модуль её знаменателя меньше единицы.

Колягин Ю.М., Ткачева М.В, Федорова Н.Е. и др., под ред. Жижченко А.Б. Алгебра и начала математического анализа (базовый и профильный уровни) 10 кл.– М.: Просвещение, 2014.

Шабунин М.И., Ткачева М.В., Федорова Н.Е. Дидактические материалы Алгебра и начала математического анализа (базовый и профильный уровни) 10 кл.– М.: Просвещение, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Все числа, которые мы изучаем в школе, называются действительными числами. Они образуют множество действительных чисел, которые принято обозначать латинской буквой R.

В свою очередь все действительные числа можно разделить на 2 группы: рациональные числа и иррациональные числа.

Рациональные числа, в свою очередь, можно разделить на 2 вида – это целые числа и дробные числа.

Дробные числа – это числа, которые можно записать в виде обыкновенной дроби.

Целые же числа можно разделить еще на несколько групп: отрицательные целые числа, нуль и положительные (натуральные) целые числа.

На числовой оси (Ох) между целыми числами будут находиться дробные иррациональные числа. Все вместе они будут представлять собой множество действительных чисел, R.

Обратите внимание, что все основные действия над рациональными числами сохраняются и для действительных чисел (переместительный, сочетательный и распределительный законы, правила сравнения, правила раскрытия скобок и т.д.).

Арифметические операции над действительными числами обычно заменяются операциями над их приближениями.

Числа 4; 4,2; 4,28 и т.д. являются последовательными приближениями значений суммы

Пусть это последовательные приближения действительного числа у с точностью до 1, до 0,1, до 0,01 и т.д. Тогда погрешность приближения как угодно близко приближается к нулю.

при или

Читается «модуль разности у и стремится к нулю при n, стремящемся к бесконечности» или «предел модуля разности у и при n, стремящемся к бесконечности, равен нулю»

Т.е. если при или

Модуль действительного числа у обозначается как |у| и определяется так же, как и модуль рационально числа:

А теперь давайте вспомним, что такое геометрическая прогрессия.

Рассмотрим квадрат со стороной, равной 1. Нарисуем ещё один квадрат, сторона которого равна половине первого квадрата, затем ещё один, сторона которого – половина второго, потом следующий и т.д. Каждый раз сторона нового квадрата равна половине предыдущего (Рисунок 1).

В результате, мы получили последовательность сторон квадратов образующих геометрическую прогрессию со знаменателем .

И, что очень важно, чем больше мы будем строить таких квадратов, тем меньше будет сторона квадрата. Например,

n=15, ;

n=20, ;

n=21, .

Т.е. с возрастанием номера n члены прогрессии приближаются к нулю.

Рассмотрим ещё один пример. Равносторонний треугольник со стороной равной 1см. Построим следующий треугольник с вершинами в серединах сторон 1-го треугольника, по теореме о средней линии треугольника – сторона 2-го равна половине стороны первого, сторона 3-го – половине стороны 2-го и т.д. Опять получаем последовательность длин сторон треугольников. (рисунок 2)

Если рассмотреть геометрическую прогрессию с отрицательным знаменателем.

То, опять, с возрастанием номера n члены прогрессии приближаются к нулю.

Обратим внимание на знаменатели этих последовательностей. Везде знаменатели были меньше 1 по модулю.

Можно сделать вывод: геометрическая прогрессия будет бесконечно убывающей, если модуль её знаменателя меньше 1.

Геометрическая прогрессия называется бесконечно убывающей, если модуль её знаменателя меньше единицы.

Используя данное определение можно решить вопрос о том, является ли геометрическая прогрессия бесконечно убывающей или нет.

Рассмотрим квадрат со стороной, равной 1. Разделим его пополам, одну из половинок ещё пополам и т.д. площади всех полученных прямоугольников при этом образуют бесконечно убывающую геометрическую прогрессию: (Рисунок 3)

Сумма площадей всех полученных таким образом прямоугольников будет равна площади 1-го квадрата и равна 1.

Но в левой части этого равенства – сумма бесконечного числа слагаемых.

Рассмотрим сумму n первых слагаемых.

По формуле суммы n первых членов геометрической прогрессии, она равна

Если n неограниченно возрастает, то

или . Поэтому , т.е. .

Сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии есть предел последовательности

Например, для прогрессии , где ,

имеем

Так как то

Сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии можно находить по формуле

Примеры и разборы решений заданий тренировочного модуля

Пример 1:

Найдем значение данного выражения с точностью до единиц.

Округлим полученные результаты до десятых:

Найдем значение данного выражения с точностью до десятых.

Округлим полученные результаты до сотых:

Найдем значение данного выражения с точностью до сотых.

Округлим полученные результаты до тысячных:

и т.д.

Давайте выясним, является ли последовательность бесконечно убывающей геометрической прогрессией, если она задана формулой:

а) ; б)

. Найдем q.

;;

Следовательно, данная геометрическая прогрессия является бесконечно убывающей.

Следовательно, данная последовательность не является бесконечно убывающей геометрической прогрессией.

Источник

Числа. Действительные числа.

Вещественное, или действительное число возникло из необходимости измерений геометрической и физической величин мира. Кроме того, для проведения операций извлечения корня, вычисления логарифма, решения алгебраических уравнений и т.д.

Натуральные числа образовались с развитием счета, а рациональные с потребностью управлять частями целого, то вещественные числа (действительные) используются для измерений непрерывных величин. Т.о., расширение запаса чисел, которые рассматриваются, привело к множеству вещественных чисел, которое кроме рациональных чисел состоит из других элементов, называемых иррациональные числа.

Множество вещественных чисел обозначают и зачастую называют вещественной или числовой прямой. Вещественные числа состоят из простых объектов: целых и рациональных чисел.

Всякое рациональное число легко представить как конечную дробь либо бесконечную периодическую десятичную дробь.

Бесконечная десятичная дробь, это десятичная дробь, у которой после запятой есть бесконечное число цифр.

Числа, которые нельзя представить в виде , являются иррациональными числами.

Пример:

Всякое иррациональное число легко представить как бесконечную непериодическую десятичную дробь.

Рациональные и иррациональные числа создают множество действительных чисел. Всем действительным числам соответствует одна точка координатной прямой, которая называется числовая прямая.

Для числовых множеств используются обозначения:

Теория бесконечных десятичных дробей.

Вещественное число определяется как бесконечная десятичная дробь, т.е.:

где ± есть один из символов + или −, знак числа,

a₀ — целое положительное число,

a₁,a₂,…a_n,… — последовательность десятичных знаков, т.е. элементов числового множества <0,1,…9>.

Бесконечную десятичную дробь можно объяснить как число, которое на числовой прямой находится между рациональными точками типа:

Сравнение вещественных чисел как бесконечных десятичных дробей происходит поразрядно. Например, предположим даны 2 положительны числа:

Если a₀0, то α b₀ то α>β. Когда a₀=b₀ переходим к сравнению следующего разряда. И т.д. Когда α≠β, значит после конечного количества шагов встретится первый разряд n, такой что a_n≠b_n. Если a_nn, то α b_n то α>β.

Арифметические операции с бесконечными десятичными дробями это непрерывное продолжение соответствующих операций с рациональными числами. Например, суммой вещественных чисел α и β является вещественное число α+β, которое удовлетворяет таким условиям:

Аналогично определяет операция умножения бесконечных десятичных дробей.

Источник

Вещественные числа в математике с примерами решения и образцами выполнения

Вещественные или действительные числа — это математическая абстракция, используемая для представления и сравнения значений физических величин. Чаще всего такое число представляют как описывающее положение точки или прямой. Множество вещественных чисел обозначается буквой R, которую нередко называют вещественной прямой.

Множества и обозначения. Логические символы

Понятие множества является одним из основных в математике. Оно принадлежит к так называемым первичным, неопределяемым понятиям. Слова «совокупность», «семейство», «система», «набор» и т. п. — синонимы слова «множество». Примерами множеств могут служить множество студентов данной аудитории; совокупность тех из них, кто сдал вступительные экзамены без троек; семейство звезд Большой Медведицы; система трех уравнений с тремя неизвестными; множество всех целых чисел и т. д. Из приведенных примеров следует, что множество может содержать конечное или бесконечное число произвольных объектов.

Объекты, из которых состоит множество, называются его элементами или точками. Множества часто обозначают большими, а их элементы — малыми буквами. Если х — элемент множества X, то пишут (х принадлежит X). Если х не является элементом множества X, то пишут (х не принадлежит X). Если — некоторые элементы, то запись означает, что множество X состоит из элементов Аналогичный смысл имеет запись

Пусть X и У — два множества. Если X и У состоят из одних и тех же элементов, то говорят, что они совпадают, и пишут X=Y. Если в X нет элементов, не принадлежащих У, то говорят что X содержится в У или что X — подмножество множества У. В этом случае пишут или (Y содержит X). Если X не содержится в У, то пишут В математике часто используется пустое множество. Оно не содержит ни одного элемента и обозначается символом Пустое множество является подмножеством любого множества.

В дальнейшем нам придется иметь дело с различными множествами вещественных чисел*. Всюду, где это не может привести к неточности, для краткости вещественные числа будем называть просто числами.

* Вместо термина «вещественные числа» часто используют термин «действительные числа».

Пусть Р (х) — какое-то свойство числа х. Тогда запись
означает множество всех таких чисел, которые обладают свойством
Р(х). Например, множество есть совокупность
корней уравнения т. е. это множество состоит из
двух элементов: — множество всех чисел, удовлетворяющих неравенствам т. е. это пустое множество.

Если — произвольные числа, то запись означает, что число х максимальное (минимальное) из чисел

В математических предложениях (формулировках определений, теорем и т. д.) часто повторяются отдельные слова и целые выражения. Поэтому при их записи полезно использовать экономную логическую символику.

Здесь мы укажем лишь несколько самых простых и употребительных логических символов. Вместо слова «существует» или «найдется» используют символ [перевернутую латинскую букву Е (от английского слова Existence — существование)], а вместо слов «любой», «каждый», «всякий» — символ [перевернутое латинское А (от английского слова Any — любой)]. Например, запись означает: «существует число х из множества X, такое, что …». Запись означает: «для любого числа х из множества X», а запись означает: «для любого числа х из множества X выполняется (или имеет место) утверждение ».

Для облегчения понимания и чтения утверждений, записанных с помощью логических символов, все, что относится только к каж- каждому из них, заключают в круглые скобки. Так, например, запись
читается так: «для любого существует такое, что для
всех х, не равных хо и удовлетворяющих неравенству выполняется неравенство

Символ в тексте означает конец доказательства.

Вещественные числа и их основные свойства

В курсе элементарной математики дается некоторое представление о вещественных числах. Из этого курса известно, что множество
вещественных чисел состоит из рациональных и иррациональных
чисел. Рациональным называется число, которое можно представить в виде p/q, где р и q — целые числа, причем Иррациональным называется всякое вещественное число, которое не является рациональным. Всякое рациональное число является либо целым, либо представляется конечной или периодической бесконечной десятичной дробью. Иррациональное же число представляется непериодической бесконечной десятичной дробью. Например, рациональные числа 3/4 и 1/3 можно представить в виде следующих десятичных дробей: иррациональные числа — в виде непериодических бесконечных десятичных дробей:

Систематизируем сведения о вещественных числах, перечислим основные свойства вещественных чисел, а затем выведем из них некоторые следствия.

Сложение и умножение вещественных чисел

Для любой пары а и b вещественных чисел определены и притом единственным образом два вещественных числа называемые соответственно их суммой и произведением, причем имеют место следующие свойства. Каковы бы ни были числа а, b и с:
1°. (переместительное свойство).
2°. (сочетательное свойство).
3°. (переместительное свойство).
4°. (сочетательное свойство).
5°. (распределительное свойство).
6°. Существует единственное число 0 такое, что а + 0=а для любого числа а.
7°. Для любого числа а существует такое число (—а), что а+(-а) = 0.
8°. Существует единственное число такое, что для любого числа а имеет место равенство а • 1 = а.
9°. Для любого числа существует такое число что число обозначают также символом

Сравнение вещественных чисел

Для любых двух вещественных чисел а и b установлено одно из отношений: а=b (а равно b), а>b (а больше b) или b>а. Отношение = обладает свойством: если а=b и b=с, то а=с.

Отношение > обладает следующими свойствами. Каковы бы ни были числа а, b и с:
10°. Если
11°. Если
12°. Если

Непрерывность вещественных чисел

13°. Пусть X и Y — два множества, состоящие из вещественных чисел. Тогда, если для любых чисел выполняется неравенство то существует хотя бы одно число с такое, что для всех таких х и у выполняются неравенства

Отметим, что свойством непрерывности обладает множество всех
вещественных чисел, но не обладает множество только рациональных чисел. Действительно, пусть множество X состоит из рациональных чисел х, для которых выполняется неравенство
а множество У состоит из рациональных чисел у, для которых выполняется неравенство Тогда, очевидно, для любого
и любого выполняется неравенство однако
не существует рационального числа с такого, чтобы для всех таких
х и у выполнялись неравенства В самом деле, таким чис-
числом могло бы быть только но оно, как известно, не является
рациональным.

Из свойств I, II, III вытекают все остальные свойства вещественных чисел. Познакомимся лишь с некоторыми из них, но в дальнейшем будем использовать и другие, не проводя их формального доказательства.

Каковы бы ни были числа а, b, с и d:
14°. Число является решением уравнения а+х=b.
Действительно, согласно свойствам 1°, 2°, 6°, 7° имеем: а+b+(-a)=b.

Число b+(-a) называется разностью чисел b и а и обозначается b — а. Отметим, что если а а), то
разность b — а>0. В самом деле, из неравенства b>а в силу 11°
получаем:

15°. Число является решением уравнения ах = b, если

Действительно, согласно свойствам 3°, 4°, 8°, 9° имеем:

В самом деле, так как а 0. Следовательно, на
основании свойства 11° b-а+(-b)>0 + (-b), откуда полу-
получаем:

17°. Если а>b и с>d, то a+c>b+d.
В самом деле, если а>b и c>d, то в силу свойства 11° а+c>b+c и c+b>d+b. Поэтому согласно свойству 10° а+с>b+d.

24°. Если
В самом деле, так как Поэтому в силу свойства 23° Следовательно, и, значит,

25°. Если
Справедливость данного утверждения следует из свойств 12° и 24°. В частности,

26°. Если
В самом деле, согласно свойствам 9° и 25° а если предположить, что то в силу свойств 20° и 23° имеем: т. е. получено противоречие. Следовательно,

Итак, мы видим, что из основных свойств I—III вещественных чисел вытекают остальные их свойства. Поэтому можно сказать, что вещественные числа представляют собой множество элементов, обладающих свойствами I—III. Такое определение вещественных чисел называется аксиоматическим, а свойства I—III — аксиомами вещественных чисел.

В заключение отметим, что, исходя из свойств I—III, любое вещественное число можно представить в виде бесконечной десятичной дроби. Однако останавливаться на рассмотрении этого вопроса не будем.

Геометрическое изображение вещественных чисел

Изображение вещественных чисел точками на координатной прямой

Введем ряд предварительных понятий. Рассмотрим произвольную прямую. На ней можно указать два взаимно противоположных направления. Выберем одно из них и на рисунке будем обозначать его стрелкой (рис. 1). Пусть, кроме того, выбрана масштабная единица для измерения длин отрезков. Прямая с выбранным на ней направлением называется осью.

Рассмотрим на оси две произвольные точки Л и В. Отрезок с граничными точками Л и В будем называть направленным, если указано, какая из точек Л и В считается началом, а какая — кон-
концом отрезка. Направленный отрезок с началом в точке А и концом в точке В обозначим и будем считать, что он направлен от начала к концу. Отметим, что в записи буква, обозначающая начало направленного отрезка, пишется первой, а буква, обозначающая его конец, — второй. Длина направленного отрезка обозначается так:

Для направленных отрезков, лежащих на оси (или параллель-
параллельных оси), вводится понятие величины направленного отрезка. Величиной АВ направленного отрезка называется число, равное , если направления отрезка и оси совпадают, и равное — , если эти направления противоположны. Для отрезков изображенных на рис. 2,

Заметим, что величины направленных отрезков при
любом направлении оси отличаются знаками:

Если точки А и В совпадают, то величину направленного отрезка будем считать равной нулю.

Для любых трех точек А, В и С на оси справедливо равенство
АВ + ВС = АС,
которое назовем основным тождеством (в дальнейшем оно неоднократно используется).

Справедливость основного тождества легко устанавливается из
рисунка, но при этом нужно рассмотреть различные случаи взаимного расположения точек А, В и С на оси. Если все три точки А,
В и С различны, то таких случаев шесть (рис. 3). В каждом из этих
случаев основное тождество проверяется элементарно.

Перейдем теперь к геометрическому изображению вещественных
чисел. Рассмотрим какую-нибудь прямую. Выберем на ней направление (тогда она станет осью) и некоторую точку О (начало
координат). Прямую с выбранным направлением и началом координат назовем координатной прямой (считаем, что масштабная единица выбрана). Пусть М — произвольная точка на прямой (рис. 4, а).

Поставим в соответствие точке М число х, равное величине ОМ
направленного отрезка Число х называется координатой
точки М. Тем самым каждой точке координатной прямой будет
соответствовать определенное вещественное число — ее координата. Справедливо и обратное: каждому вещественному числу х
соответствует некоторая точка на координатной прямой, а именно
такая точка М, координата которой равна х.

Таким образом, вещественные числа можно изображать точками
на координатной прямой. Поэтому около точки на координатной
прямой часто указывают число —ее координату (рис. 4, б).

Пусть точка имеет координату , а точка — координату
(рис. 5.). Выразим величину направленного отрезка через координаты точек и . Согласно основному тождеству

откуда поэтому

Эту формулу будем часто использовать в аналитической геометрии.

Некоторые наиболее употребительные числовые множества

Пусть а и b — два числа, причем а Грани числовых множеств

Говорят, что. множество X ограничено сверху (снизу), если существует число с такое, что для любого выполнено неравенство Число с в этом случае называется верхней (нижней) гранью множества X.

Множество, ограниченное и сверху и снизу, называется ограниченным.

Так, например, любой конечный промежуток ограничен. Интервал есть множество, ограниченное снизу, но не ограниченное сверху; а вся числовая прямая есть множество, не ограниченное ни сверху, ни снизу.

Очевидно, что любое ограниченное сверху (снизу) множество X имеет бесконечно много верхних (нижних) граней. В самом деле, если число с является верхней (нижней) гранью множества X, то любое число с’, большее (меньшее) числа с, — также верхняя (нижняя) грань множества X, так как из справедливости неравенства следует, что

Естественно, возникает вопрос о существовании наименьшей из верхних граней ограниченного сверху множества и наибольшей из нижних граней ограниченного снизу множества.

Наименьшая из верхних граней ограниченного сверху множества X называется точной верхней гранью множества X и обозначается символом sup X, а наибольшая из нижних граней ограниченного снизу множества X называется точной нижней гранью этого множества и обозначается символом inf X*.

Примеры:

Пусть Тогда число b является точной верхней гранью множества X, а число а — его точной нижней гранью, т. е. Пусть Тогда а верхних граней и в том числе точной верхней грани данное множество не имеет.

Точная верхняя грань (sup X) обладает следующим важным свойством. Как бы мало ни было число найдется такое, что В самом деле, если бы такого числа х не нашлось, то число было бы также верхней гранью множества X и тогда число sup X не было бы точной (т. е. наименьшей) верхней гранью. Другими словами, данное свойство выражает тот факт, что число sup X является наименьшим среди чисел, ограничивающих множество X сверху, и не может быть уменьшено.

Отмеченное свойство точной верхней грани можно переформулировать следующим образом: если с = sup X, то для любого числа с’ 0, найдется такое, что (Сформулируйте данное свойство в другом виде самостоятельно.)

Возникает вопрос, всегда ли ограниченное сверху (снизу) множество имеет точную верхнюю (нижнюю) грань. Ответ на этот вопрос дает следующая важная теорема.

Теорема:

Любое непустое ограниченное сверху (снизу) числовое множество имеет точную верхнюю (нижнюю) грань.

Доказательство:

Пусть X — непустое множество, ограниченное сверху. Тогда множество У чисел, ограничивающих X сверху, не пусто. Из определения верхней грани следует, что для любого и любого имеет место неравенство В силу свойства непрерывности вещественных чисел существует такое число с, что для любых х и у выполняются неравенства

Из первого из неравенств (1) следует, что число с ограничивает множество X сверху, т..е. является верхней гранью, а из второго, — что оно наименьшее из таких чисел, т. е. является точной верхней гранью.

Случай существования точной нижней грани у не пустого ограниченного снизу множества рассматривается аналогично.

Если множество X не ограничено сверху (снизу), то условимся писать:

Абсолютная величина числа

Понятие абсолютной величины числа и неравенства, связанные с абсолютными величинами, в дальнейшем часто используются.

Определение:

Абсолютной величиной (или модулем) числа х называется само число х, если число —х, если

Абсолютная величина числа х обозначается символом |х|. Таким образом,

Из определения вытекает ряд свойств абсолютной величины числа.Из 1) и 2) получаем, что

Поскольку следующие три свойства очень важны, докажем их в виде теорем.

Теорема:

Пусть — положительное число. Тогда неравенства равносильны*
Доказательство:

Пусть Тогда:
1) если и, значит,
2) если значит, — откуда — Объединяя 1) и 2), при любом х получаем:

Пусть справедливы неравенства Это означает, что одновременно выполняются неравенства Из последнего неравенства имеем: Так как, по определению, |х| есть либо х, либо — х, то