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有理数和无理数的界限是什么?

2021-05-16知识

不要总是纠结于小数的无限循环还是不循环。

小数只是数的一种表现形式而已,并不是数的本质。比如你题目中用来举例的1/17。你别看它写成小数是乱七八糟一大堆,那不过因为我们所用的小数是十进制数的缘故。如果换成是17进制的小数,不就写成0.1了嘛!同理,65/17也就写成了 3.E(用A-G表示10-16)!是不是一点都不乱?你想想,归根结底是由于人类碰巧长了10跟手指头,所以我们才用了10进制。若换成是另外一个星球上的智能生命,长了三只手、21根手指的,人家可能就用21进制数呢。Get it?

所谓有理数,就是能写成 \frac{m}{n}(m\in Z, n \in Z, n\neq 0) 的数。我们遇到一个数,不能这么表示的,那它就不是有理数。

好比我们可以证明 \sqrt{2} 不是有理数。

如上图,根据毕达哥拉斯定理,

\begin{align} r^2 =& 1^2 + 1^2 \\ r =& \sqrt{1+1} = \sqrt{2} \end{align}

我们假定r是有理数,那么它就应该可以写成整数比上非零整数的形式。又因为所有的分数都可以化简为互质数的比。我们就可以把 r 写成分子分母互质的最简分数 m/n。

\begin{align} & r = \frac{m}{n} \\ & r^2 = \frac{m^2}{n^2} = 2\\ & m^2 = 2n^2 \\ & \because 2n^2 为某整数的二倍,因而必为偶数\\ & \because 奇数的平方为奇数,偶数的平方为偶数\\ & \therefore m 为偶数\\ & 令 m = 2k , 则 k 必为整数\\ & 2n^2 = (2k)^2 = 2^2k^2 = 2\cdot 2k^2\\ & n^2 = 2k^2\\ & \therefore n 也是偶数\\ &\therefore m 与 n 不是互质关系\\ & \therefore r 不是有理数 \end{align}

\sqrt{2} 不是有理数,然而如上图所示,它又能通过尺规作图法被画在数轴上(C点)。也就是说,他在数轴上的位置是 明确 的。

你之所以纠结于没完没了的小数点后的数位,是因为没有认识清楚,小数本质上是就是一种变了形的分数。

a.bcdef... = a + \frac{b}{10}+ \frac{c}{100}+ \frac{d}{1,000}+ \frac{e}{10,000}+ \frac{f}{100,000}...

有理数的和还是有理数。

所以根本上,小数就不能(或者不能确切地)表示无理数。我们硬要把无理数,比如\sqrt{2} ,写成小数的形式,写出来的就只能是近似值。

既然一个无理数在数轴上的位置是明确的,我们就能找到略大或略小于它的有理数。有理数是可以写成小数的,借助逼近它的小数,我们就能够直观地感知到它的值大约是多大。

你看,分数31/71 和 137/311 究竟谁大于谁, \sqrt{731} 和27又是谁大谁小,是不是很难判断?换成小数,\frac{31}{71}\approx0.437,\frac{137}{311}\approx0.440,\sqrt{731}\approx27.037 , 是不是就一目了然了!

我们社会的各个领域中都普遍使用小数,就是因为它直观。但是,正如我一开始所说的那样,不要把形式跟本质搞颠倒了。31/71 只是约等于 0.437,它的本质是71份里取31份; \sqrt{2} 只是约等于1.414,它的本质是面积为2的正方形的边长。