Геометрическое изображение действительных чисел. Геометрическое изображение комплексных чисел
Форми зображення чисел
У цифрових пристроях використовуються дві форми зображення чисел: з фіксованою і плаваючою комою .
У попередньому параграфі розглядались лише цілі позитивні числа. Формула (1.14) дає можливість зображати двійкові числа з цілою та дробовою частиною та з фіксованою комою. Знак двійкового числа з фіксованою комою задається допоміжним розрядом, який встановлюється перед числовими. Для додатних чисел значення допоміжного розряду рівне “0 ”, для від’ємних – “1 ”.
У табл. 1.3 приводяться три варіанти кодування додатних і від’ємних чисел чотирьохрозрядним двійковим кодом.
Taблиця 1.3.
У першому варіанті, як витікає з таблиці, у кодовій двійковій послідовності мають місце додатній і від’ємний нулі, що призводить до появи проблем при виконанні арифметичних операцій.
Представлення від’ємних чисел у зворотному коді також не вирішує відміченої проблеми. Вона вирішується лише тоді, коли від’ємні числа представляються у додатковому коді , який обчислюється за формулою:
На рис. 1.12 приведена графічна інтерпретація зображення позитивних і негативних чисел відносно нуля з використанням прямого та доповнюючого кодів. Як буде показано пізніше, така форма представлення десяткових чисел суттєво спрощує виконання арифметичних операцій.
Приклад 1.10. Знайти доповнюючі коди десятковим числам: 0 10 , 17 10 , -127 10 .
Розв’язання. Знаходимо двійкові еквіваленти заданих чисел:
0 10 = 00000000 2 ; 17 10 = 00010001 2 ; -127 10 = 10000001 2 .
Знаходимо коди, зворотні двійковим – відповідно: 11111111; 11101110; 01111110.
Знаходимо доповнюючі коди заданих чисел: 11111111 + 1 = 100000000 2 = 0 10 ;
11101110 + 1 = 11101111 2 = -17 10 ; 01111110 + 1 = 01111111 2 = 127 10 .
Тепер пояснимо суть запису чисел з фіксованою комою. Будь-яке число в цифрових системах зберігається спеціальними пристроями пам’яті, кожен рядок якого складаються з фіксованої кількості елементів. Кома, що відділяє в числі цілу частину від дробової, займає в рядку пам’яті фіксоване положення – перед старшим розрядом або після молодшого.
У першому випадку абсолютне значення числа менше одиниці – наприклад, 0,110101 2 .Якщо рядок пам’яті призначений для десяти розрядів, то число в ньому запишеться так, як показано на рис. 1.13, де крайній лівий розряд відображає знак числа, а решта – розряди модуля. Вільні молодші розряди заповнюються нулями. Оскільки в розгляданому випадку в рядку пам’яті передбачається запис лише дробової частини числа, то і результати всіх операцій повинні бути з абсолютним значенням, меншим одиниці. Виконання цієї умови забезпечується вибором відповідних масштабних коефіцієнтів, на які помножуються вихідні дані. Якщо масштабний коефіцієнт вибраний невірно, то може з’явитись переповнення розрядів і поява цілої частини, яка буде втрачена, оскільки в розрядній сітці не передбачена її поява. Все це приведе до похибки в результаті, що є недоліком такого способу.
У другому випадку, коли кома фіксується після молодшого розряду, маємо справу з цілими числами. Тоді, наприклад, число 10011 2 в рядку пам’яті розміщується в відповідності з рис. 1.14, де лівий розряд знаковий, а слідуючі за ним справа вільні розряди заповнюються нулями. В цьому випадку величина модуля є обмеженою довжиною рядку пам’яті.
Числа з плаваючою комою передбачають зображення числа з використанням мантиси, що помножається на основу системи числення у ступені, який задається порядком. Наприклад, число 200 записується у вигляді 0,2 × 10 3 , а число 0,000312 – як 0,312 × 10 -3 . Відповідно записуються і двійкові числа. Мантиса і порядок зображаються у двійковому коді, а основою є двійка. Наприклад, число 0,111 × 2 10 = 11.10 2 в десятковій системі зображається як 0,875 × 2 2 = 3,5 10 . В рядку пам’яті такі числа зберігаються у вигляді двох груп цифр: перша група – мантиса – визначає саме число, друга - порядок – місце коми в числі (рис. 1.15).
У нульовому елементі рядка пам’яті зображається знак числа (для приведеного вище двійкового числа, що записане у рядок пам’яті - “0 ”). Далі задаються вісім розрядів самого числа (стовпці 1…8). Якщо воно задається меншою кількістю розрядів, то вільні елементи пам’яті справа від числа заповнюються нулями. У дев’ятому розряді зображається знак порядку, а в решті, за аналогією з мантисою, – число, що визначає порядок. При використанні такої форми запису величина числа порядку задається так, щоб перша значуща цифра мантиси не дорівнювала “0 ”. Така форма запису називається нормальною .
Мінімальне додатне число, що може бути записане при нормальній формі в рядку пам’яті, визначається мінімальною мантисою 0,1000..0 2 та максимальним від’ємним порядком 111..1 2 . При кількості k розрядів порядку мінімальне десяткове число, що може бути записаним, визначається формулою:
. (1.15)
Максимальне число матимемо при максимальному значенні мантиси (0,111…1) 2 та максимальному додатному порядку (111…1 2) = 2 k – 1, тобто
Діапазон D чисел, представлених в нормальній формі, як витікає з формул (1.15) та (1.16), визначається лише числом k . Наприклад, для k = 6 знаходимо:
; 
.
Точність запису числа задається кількістю розрядівm мантиси. Якщо кількість розрядів числа перевершує відведену під мантису кількість розрядів, то число округляється до необхідної довжини. Правило округлення двійкових чисел в цьому випадку таке: якщо старший розряд у частині слова, що відкидається, є одиницею, то до молодшого розряду мантиси додається одиниця. При такому округленні абсолютна похибка e зображення мантиси не перевершує половини вагового коефіцієнта молодшого розряду мантиси, що зберігається, тобто:
Враховуючи, що при нормальній формі запису мантиса не може бути меншою 0.5, відносна похибка η:
Наприклад, при m = 24 маємо:
.
У сучасних цифрових системах для зображення чисел з плаваючою комою використовується рядок довжиною чотири байти. При цьому 23 розряди задають мантису, а 7 – величину порядку. Діапазон чисел, що зображуються, складає від ± 2 127 до ± 2 -127 .
Використання чисел з плаваючою комою суттєво розширює і спрощує зображення чисел, але виконання операцій над такими числами більш складне, ніж над числами з фіксованою комою.
Существуют
следующие формы комплексных чисел:
алгебраическая
(x+iy),
тригонометрическая
(r(cos+isin
)),
показательная
(re i
).
Всякое комплексное число z=x+iy можно изобразить на плоскости ХОУ в виде точки А(х,у).
Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется плоскостью комплексного переменного z (на плоскости ставим символ z).
Ось ОХ – действительная ось, т.е. на ней лежат действительные числа. ОУ – мнимая ось с мнимыми числами.
x+iy - алгебраическая форма записи комплексного числа.
Выведем тригонометрическую форму записи комплексного числа.
Подставляем полученные значения в начальную форму: , т.е.
r(cos
+isin
)
-
тригонометрическая форма записи
комплексного числа.
Показательная
форма записи комплексного числа следует
из формулы Эйлера:
,тогда
z=re
i
-
показательная форма записи комплексного
числа.
Действия над комплексными числами.
1. сложение. z 1 +z 2 =(x1+iy1)+ (x2+iy2)=(x1+x2)+i(y1+y2);
2 . вычитание. z 1 -z 2 =(x1+iy1)- (x2+iy2)=(x1-x2)+i(y1-y2);
3. умножение. z 1 z 2 =(x1+iy1)*(x2+iy2)=x1x2+i(x1y2+x2y1+iy1y2)=(x1x2-y1y2)+i(x1y2+x2y1);
4
.
деление. z 1 /z 2 =(x1+iy1)/(x2+iy2)=[(x1+iy1)*(x2-iy2)]/[
(x2+iy2)*(x2-iy2)]=
Два комплексных числа, которые отличаются только знаком мнимой единицы, т.е. z=x+iy (z=x-iy), называются сопряженными.
Произведение.
z1=r(cos
+isin
);
z2=r(cos
+isin
).
То произведение z1*z2 комплексных чисел находится: , т.е. модуль произведения равен произведению модулей, а аргумент произведения равен сумме аргументов сомножителей.
;
;
Частное.
Если комплексные числа заданы в тригонометрической форме.
Если комплексные числа заданы в показательной форме.
Возведение в степень.
1. Комплексное число задано в алгебраической форме.
z=x+iy, то z n находим по формуле бинома Ньютона :
-
число сочетаний из n
элементов по m
(число способов, сколькими можно взять
n
элементов
из
m).
;
n!=1*2*…*n; 0!=1;
.
Применяем для комплексного числа.
В полученном выражении нужно заменить степени i их значениями:
i 0 =1 Отсюда, в общем случае получаем: i 4k =1
i 1 =i i 4k+1 =i
i 2 =-1 i 4k+2 =-1
i 3 =-i i 4k+3 =-i
Пример .
i 31 = i 28 i 3 =-i
i 1063 = i 1062 i=i
2. тригонометрической форме.
z=r(cos
+isin
),
то
- формула Муавра .
Здесь n может быть как “+” так и “-” (целым).
3. Если комплексное число задано в показательной форме:
Извлечение корня.
Рассмотрим
уравнение:
.
Его
решением будет корень n–ой степени из
комплексного числа z:
.
Корень n–ой степени из комплексного числа z имеет ровно n решений (значений). Корень из действующего числа n-ой степени имеет только одно решение. В комплексных – n решений.
Если комплексное число задано в тригонометрической форме:
z=r(cos
+isin
),
то корень n-ой степени от z находится по
формуле:
,
где к=0,1…n-1.
Ряды. Числовые ряды.
Пусть переменная а принимает последовательно значения а 1 ,а 2 ,а 3 ,…,а n . Такое перенумерованное множество чисел называется последовательностью. Она бесконечна.
Числовым
рядом называется выражение а 1 +а 2 +а 3 +…+а n +…=
. Числа а 1 ,а 2 ,а 3 ,…,а n
– члены ряда.
Например.
а 1 – первый член ряда.
а n – n-ый или общий член ряда.
Ряд считается заданным, если известен n-ый (общий член ряда).
Числовой ряд имеет бесконечное число членов.
Числители – арифметическая прогрессия (1,3,5,7…).
n-ый член находится по формуле а n =а 1 +d(n-1); d=а n -а n-1 .
Знаменатель
– геометрическая
прогрессия
.
b n =b 1 q n-1 ;
.
Рассмотрим сумму первых n членов ряда и обозначим ее Sn.
Sn=а1+а2+…+а n .
Sn – n-ая частичная сумма ряда.
Рассмотрим
предел:
S - сумма ряда.
Ряда сходящийся , если этот предел конечен (конечный предел S существует).
Ряд расходящийся , если этот предел бесконечен.
В дальнейшем наша задача заключается в следующем: установить какой ряд.
Одним из простейших, но часто встречающихся рядов является геометрическая прогрессия.
,
C=const.
Геометрическая
прогрессия является
сходящимся
рядом
,
если
,
и расходящимся, если
.
Также
встречается гармонический
ряд
(ряд
).
Этот рядрасходящийся
.
Понятия «множество», «элемент», «принадлежность элемента множеству» - первичные понятия математики. Множество - любое собрание (совокупность) каких- либо предметов.
А является подмножеством множества В, если каждый элемент множества А является элементом множества В, т.е. АÌВ Û (хÎА Þ хÎВ) .
Два множества равны , если они состоят из одних и тех же элементов. Речь идет о теоретико-множественном равенстве (не путать с равенством между числами): А=В Û АÌВ Ù ВÌА .
Объединение двух множеств состоит из элементов принадлежащих хотя бы одному из множеств, т.е. хÎАÈВ Û хÎАÚ хÎВ .
Пересечение состоит из всех элементов одновременно принадлежащих как множеству А, так и множеству В: хÎАÇВ Û хÎА Ù хÎВ .
Разность состоит из всех элементов А не принадлежащих В, т.е.хÎ А\В Û хÎА ÙхÏВ .
Декартовым произведением С=А´В множеств А и В называют множество всех возможных пар (х,у ), где первый элемент х каждой пары принадлежит А, а второй ее элемент у принадлежит В.
Подмножество F декартова произведения А´В называется отображением множества А в множество В , если выполнено условие: ("х ÎА)($! пара (х.у )ÎF). При этом пишут: А В.
Термины «отображение» и «функция» - синонимы. Если ("хÎА)($! уÎВ): (х,у )ÎF, то элемент у ÎВ называется образом х при отображении F и записывают это так: у =F(х ). Элемент х при этом является прообразом (одним из возможных) элемента у.
Рассмотриммножество рациональных чисел Q - множество всех целых чисел и множество всех дробей (положительных и отрицательных). Каждое рациональное число представимо в виде частного, например, 1 =4/3=8/6=12/9=…. Представлений таких много, но только одно из них несократимо.
Всякое рациональное число можно единственным образом представить в виде дроби p/q, где pÎZ, qÎN, числа p, q- взаимно просты.
Свойства множества Q :
1. Замкнутость относительно арифметических операций.
Результат сложения, вычитания, умножения, возведения в натуральную степень, деления (кроме деления на 0) рациональных чисел является рациональным числом: ; ; 
.
2. Упорядоченность: (" х, у
ÎQ, х¹у
)®(x
Причем: 1) a>b, b>c Þ a>c; 2) a-b .
3. Плотность . Между любыми двумя рациональными числами х, у существует третье рациональное число (например, с= ):
("х, у
ÎQ, x
<y
)($cÎQ) : (х
На множестве Q можно выполнять 4 арифметических действия, решать системы линейных уравнений, но квадратные уравнения вида х 2 =а, аÎ N не всегда разрешимы во множестве Q.
Теорема. Не существует числа хÎQ , квадрат которого равен 2.
g Пусть существует такая дробь х =p/q, где числа p и q взаимно просты и х 2 =2. Тогда (p/q) 2 =2. Следовательно,
Правая часть (1) делится на 2, значит p 2 четное число. Тем самым р=2n (n-целое). Тогда q должно быть нечетным числом.
Возвращаясь к (1), имеем 4n 2 =2q 2 . Поэтому q 2 =2n 2 . Аналогично убеждаемся, что q делится на 2, т.е. q - четное число. По методу от противного теорема доказана.n
геометрическое изображение рациональных чисел. Откладывая единичный отрезок от начала координат 1, 2, 3 … раз вправо, получим точки координатной прямой, которые соответствуют натуральным числам. Откладывая аналогично влево, получим точки, соответствующие отрицательным целым числам. Возьмем 1/q (q= 2,3,4 … ) часть единичного отрезка и будем откладывать его по обе стороны от начала отсчета р раз. Получаем точки прямой, соответствующие числам вида ±p/q (pÎZ, qÎN). Если p, q пробегают все пары взаимно простых чисел, то на прямой имеем все точки, соответствующие дробным числам. Таким образом, каждому рациональному числу соответствует по принятому способу единственная точка координатной прямой.
Для всякой ли точки можно указать единственное рациональное число? Заполняется ли прямая сплошь рациональными числами?
Оказывается на координатной прямой имеются точки, которым не соответствуют никакие рациональные числа. Строим равнобедренный прямоугольный треугольник на единичном отрезке. Точке N не соответствует рациональное число, так как если ON=x - рационально, то х 2 = 2, чего не может быть.
Точек, подобных точке N, на прямой бесконечно много. Возьмем рациональные части отрезка х=ON, т.е. х . Если отложить их вправо, то каждому из концов любого из таких отрезков не будет соответствовать никакое рациональное число. Допуская, что длина отрезка выражается рациональным числом х= , получаем, что х= – рационально. Это противоречит доказанному выше.
Рациональных чисел недостаточно, чтобы каждой точке координатной прямой сопоставлять некоторое рациональное число.
Построим множество действительных чисел R через бесконечные десятичные дроби.
По алгоритму деления «уголком» любое рациональное число представимо в виде конечной или бесконечной периодической десятичной дроби. Когда у дроби p/q знаменатель не имеет простых делителей кроме 2 и 5, т.е. q=2 m ×5 k , то результатом будет конечная десятичная дробь p/q=a 0 ,a 1 a 2 …a n . Остальные дроби могут иметь только бесконечные десятичные разложения.
Зная бесконечную периодическую десятичную дробь, можно найти рациональное число, представлением которого она является. Но любую конечную десятичную дробь можно представить в виде бесконечной десятичной дроби одним из способов:
a 0 ,a 1 a 2 …a n = a 0 ,a 1 a 2 …a n 000…=a 0 ,a 1 a 2 …(a n -1)999… (2)
Например, для бесконечной десятичной дроби х =0,(9) имеем 10х =9,(9). Если из 10х вычесть исходное число, то получим 9х =9 или 1=1,(0)=0,(9).
Между множеством всех рациональных чисел и множеством всех бесконечных периодических десятичных дробей устанавливается взаимно однозначное соответствие, если отождествлять бесконечную десятичную дробь с цифрой 9 в периоде с соответствующей бесконечной десятичной дробью с цифрой 0 в периоде по правилу (2).
Условимся употреблять такие бесконечные периодические дроби, которые не имеют цифры 9 в периоде. Если бесконечная периодическая десятичная дробь с цифрой 9 в периоде возникает в процессе рассуждений, то ее будем заменять бесконечной десятичной дробью с нулем в периоде, т.е. вместо 1,999… будем брать 2,000…
Определение иррационального числа. Кроме бесконечных десятичных периодических дробей существуют непериодические десятичные дроби. Например, 0,1010010001… или 27,1234567891011… (после запятой последовательно стоят натуральные числа).
Рассмотрим бесконечную десятичную дробь вида±a 0 , a 1 a 2 …a n … (3)
Эта дробь определяется заданием знака «+» или «–», целого неотрицательного числа a 0 и последовательности десятичных знаков a 1 ,a 2 ,…,a n ,…(множество десятичных знаков состоит из десяти чисел: 0, 1, 2,…, 9).
Всякую дробь вида (3) назовем действительным (вещественным) числом. Если перед дробью (3) стоит знак «+», его обычно опускают и пишут a 0 , a 1 a 2 …a n … (4)
Число вида (4) будем называть неотрицательным вещественным числом, а в случае, когда хотя бы одно из чисел a 0 , a 1 , a 2 , …, a n отлично от нуля, – положительным действительным числом . Если в выражении (3) берется знак «-», то это отрицательное число.
Объединение множеств рациональных и иррациональных чисел образуют множество действительных чисел (QÈJ=R). Если бесконечная десятичная дробь (3) периодическая, то это рациональное число, когда дробь непериодическая – иррациональное.
Два неотрицательных действительных числа а=a 0 ,a 1 a 2 …a n …, b=b 0 ,b 1 b 2 …b n …. называют равными (пишут а=b ), если a n =b n при n=0,1,2… Число а меньше числа b (пишут a <b ), если либо a 0 либо a 0 =b 0 и существует такой номер m, что a k =b k (k=0,1,2,…m-1), а a m , т.е. a Û(a 0 Ú($mÎN: a k =b k (k= ), a m ). Аналогично определяется понятие «а > b ».
Для сравнения произвольных вещественных чисел введем понятие «модуль числа а ». Модулем вещественного числа а=±a 0 , a 1 a 2 …a n … называется такое неотрицательное действительное число представимое той же бесконечной десятичной дробью, но взятой со знаком «+», т.е. ½а ½=a 0 , a 1 a 2 …a n … и½а ½³0. Если а – неотрицательное, b – отрицательное число, то считают а>b . Если оба числа отрицательные (a<0, b<0 ), то будем считать, что: 1) а=b , если ½а ½= ½b ½; 2) а, если ½а ½> ½b ½.
Свойства множества R :
I. Свойства порядка :
1. Для каждой пары действительных чисел а
и b
имеет место одно и только одно соотношение: a=b, a
2. Если a
3. Если a, то найдется такое число с, что a< с .
II. Свойства действий сложения и вычитания :
4. a+b=b+a (коммутативность).
5. (a+b)+c=a+(b+c ) (ассоциативность).
Из огромного многообразия всевозможных множеств особый интерес представляют так называемые числовые множества , то есть, множества, элементами которых являются числа. Понятно, что для комфортной работы с ними нужно уметь их записывать. С обозначений и принципов записи числовых множеств мы и начнем эту статью. А дальше рассмотрим, как числовые множества изображаются на координатной прямой.
Навигация по странице.
Запись числовых множеств
Начнем с принятых обозначений. Как известно, для обозначения множеств используются заглавные буквы латинского алфавита. Числовые множества, как частный случай множеств, обозначаются также. Например, можно говорить о числовых множествах A , H , W и т.п. Особую важность имеют множества натуральных, целых, рациональных, действительных, комплексных чисел и т.п., для них были приняты свои обозначения:
- N – множество всех натуральных чисел;
- Z – множество целых чисел;
- Q – множество рациональных чисел;
- J – множество иррациональных чисел;
- R – множество действительных чисел;
- C – множество комплексных чисел.
Отсюда понятно, что не стоит обозначать множество, состоящее, к примеру, из двух чисел 5 и −7 как Q , это обозначение будет вводить в заблуждение, так как буквой Q обычно обозначают множество всех рациональных чисел. Для обозначения указанного числового множества лучше использовать какую-нибудь другую «нейтральную» букву, например, A .
Раз уж мы заговорили про обозначения, то здесь напомним и про обозначение пустого множества, то есть множества, не содержащего элементов. Его обозначают знаком ∅.
Также напомним про обозначение принадлежности и непринадлежности элемента множеству. Для этого используют знаки ∈ - принадлежит и ∉ - не принадлежит. Например, запись 5∈N означает, что число 5 принадлежит множеству натуральных чисел, а 5,7∉Z – десятичная дробь 5,7 не принадлежит множеству целых чисел.
И еще напомним про обозначения, принятые для включения одного множества в другое. Понятно, что все элементы множества N входят в множество Z , таким образом, числовое множество N включено в Z , это обозначается как N⊂Z . Также можно использовать запись Z⊃N , которая означает, что множество всех целых чисел Z включает множество N . Отношения не включено и не включает обозначаются соответственно знаками ⊄ и ⊅. Также используются знаки нестрогого включения вида ⊆ и ⊇, означающие соответственно включено или совпадает и включает или совпадает.
Про обозначения поговорили, переходим к описанию числовых множеств. При этом затронем лишь основные случаи, которые наиболее часто используются на практике.
Начнем с числовых множеств, содержащих конечное и небольшое количество элементов. Числовые множества, состоящие из конечного числа элементов, удобно описывать, перечисляя все их элементы. Все элементы-числа записываются через запятую и заключаются в , что согласуется с общими правилами описания множеств . Например, множество, состоящее из трех чисел 0 , −0,25 и 4/7 можно описать как {0, −0,25, 4/7} .
Иногда, когда число элементов числового множества достаточно велико, но элементы подчиняются некоторой закономерности, для описания используют многоточие. Например, множество всех нечетных чисел от 3 до 99 включительно можно записать как {3, 5, 7, …, 99} .
Так мы плавно подошли к описанию числовых множеств, число элементов которых бесконечно. Иногда их можно описать, используя все тоже многоточие. Для примера опишем множество всех натуральных чисел: N={1, 2. 3, …} .
Также пользуются описанием числовых множеств посредством указания свойств его элементов. При этом применяют обозначение {x| свойства} . Например, запись {n| 8·n+3, n∈N} задает множество таких натуральных чисел, которые при делении на 8 дают остаток 3 . Это же множество можно описать как {11,19, 27, …} .
В частных случаях числовые множества с бесконечным числом элементов представляют собой известные множества N , Z , R , и т.п. или числовые промежутки. А в основном числовые множества представляются как объединение составляющих их отдельных числовых промежутков и числовых множеств с конечным числом элементов (о которых мы говорили чуть выше).
Покажем пример. Пусть числовое множество составляют числа −10 , −9 , −8,56 , 0 , все числа отрезка [−5, −1,3] и числа открытого числового луча (7, +∞) . В силу определения объединения множеств указанное числовое множество можно записать как {−10, −9, −8,56}∪[−5, −1,3]∪{0}∪(7, +∞) . Такая запись фактически означает множество, содержащее в себе все элементы множеств {−10, −9, −8,56, 0} , [−5, −1,3] и (7, +∞) .
Аналогично, объединяя различные числовые промежутки и множества отдельных чисел, можно описать любое числовое множество (состоящее из действительных чисел). Здесь становится понятно, почему были введены такие виды числовых промежутков как интервал, полуинтервал, отрезок, открытый числовой луч и числовой луч: все они в купе с обозначениями множеств отдельных чисел позволяют описывать любые числовых множества через их объединение.
Обратите внимание, что при записи числового множества составляющие его числа и числовые промежутки упорядочиваются по возрастанию. Это не обязательное, но желательное условие, так как упорядоченное числовое множество проще представить и изобразить на координатной прямой. Также отметим, что в подобных записях не используются числовые промежутки с общими элементами, так как такие записи можно заменить объединением числовых промежутков без общих элементов. Например, объединение числовых множеств с общими элементами [−10, 0] и (−5, 3) есть полуинтервал [−10, 3) . Это же относится и к объединению числовых промежутков с одинаковыми граничными числами, например, объединение (3, 5]∪(5, 7] представляет собой множество (3, 7] , на этом мы отдельно остановимся, когда будем учиться находить пересечение и объединение числовых множеств .
Изображение числовых множеств на координатной прямой
На практике удобно пользоваться геометрическими образами числовых множеств – их изображениями на . Например, при решении неравенств , в которых необходимо учитывать ОДЗ, приходится изображать числовые множества, чтобы найти их пересечение и/или объединение. Так что полезно будет хорошо разобраться со всеми нюансами изображения числовых множеств на координатной прямой.
Известно, что между точками координатной прямой и действительными числами существует взаимно однозначное соответствие, что означает, что сама координатная прямая представляет собой геометрическую модель множества всех действительных чисел R
. Таким образом, чтобы изобразить множество всех действительных чисел, надо начертить координатную прямую со штриховкой на всем ее протяжении:
А часто даже не указывают начало отсчета и единичный отрезок:
Теперь поговорим про изображение числовых множеств, представляющих собой некоторое конечное число отдельных чисел. Для примера, изобразим числовое множество {−2, −0,5, 1,2}
. Геометрическим образом данного множества, состоящего из трех чисел −2
, −0,5
и 1,2
будут три точки координатной прямой с соответствующими координатами:
Отметим, что обычно для нужд практики нет необходимости выполнять чертеж точно. Часто достаточно схематического чертежа, что подразумевает необязательное выдерживание масштаба, при этом важно лишь сохранять взаимное расположение точек относительно друг друга: любая точка с меньшей координатой должна быть левее точки с большей координатой. Предыдущий чертеж схематически будет выглядеть так:
Отдельно из всевозможных числовых множеств выделяют числовые промежутки (интервалы, полуинтервалы, лучи и т.д.), что представляют их геометрические образы, мы подробно разобрались в разделе . Здесь не будем повторяться.
И остается остановиться лишь на изображении числовых множеств, представляющих собой объединение нескольких числовых промежутков и множеств, состоящих из отдельных чисел. Здесь нет ничего хитрого: по смыслу объединения в этих случаях на координатной прямой нужно изобразить все составляющие множества данного числового множества. В качестве примера покажем изображение числового множества (−∞, −15)∪{−10}∪[−3,1)∪
{log 2 5, 5}∪(17, +∞)
:
И остановимся еще на достаточно распространенных случаях, когда изображаемое числовое множество представляет собой все множество действительных чисел, за исключением одной или нескольких точек. Такие множества частенько задаются условиями типа x≠5
или x≠−1
, x≠2
, x≠3,7
и т.п. В этих случаях геометрически они представляют собой всю координатную прямую, за исключением соответствующих точек. Иными словами, из координатной прямой нужно «выколоть» эти точки. Их изображают кружочками с пустым центром. Для наглядности изобразим числовое множество, соответствующее условиям 
(это множество по сути есть ):
Подведем итог. В идеале информация предыдущих пунктов должна сформировать такой же взгляд на запись и изображение числовых множеств, как и взгляд на отдельные числовые промежутки: запись числового множества сразу должна давать его образ на координатной прямой, а по изображению на координатной прямой мы должны быть готовы с легкостью описать соответствующее числовое множество через объединение отдельных промежутков и множеств, состоящих из отдельных чисел.
Список литературы.
- Алгебра: учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений / [Ю. Н. Макарычев, Н. Г. Миндюк, К. И. Нешков, С. Б. Суворова]; под ред. С. А. Теляковского. - 16-е изд. - М. : Просвещение, 2008. - 271 с. : ил. - ISBN 978-5-09-019243-9.
- Мордкович А. Г. Алгебра. 9 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для учащихся общеобразовательных учреждений / А. Г. Мордкович, П. В. Семенов. - 13-е изд., стер. - М.: Мнемозина, 2011. - 222 с.: ил. ISBN 978-5-346-01752-3.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЧИСЛА II
§ 37 Геометрическое изображение рациональных чисел
Пусть Δ есть отрезок, принятый за единицу длины, а l - произвольная прямая (рис. 51). Возьмем на ней какую-нибудь точку и обозначим ее буквой О.
Каждому положительному рациональному числу m / n поставим в соответствие точку прямой l , лежащую справа от С на расстоянии в m / n единиц длины.
Например, числу 2 будет соответствовать точка А, лежащая справа от О на расстоянии в 2 единицы длины, а числу 5 / 4 точка В, лежащая справа от О на расстоянии в 5 / 4 единиц длины. Каждому отрицательному рациональному числу k / l поставим в соответствие точку прямой, лежащую слева от О на расстоянии в | k / l | единиц длины. Так, числу - 3 будет соответствовать точка С, лежащая слева от О на расстоянии в 3 единицы длины, а числу - 3 / 2 точка D, лежащая слева от О на расстоянии в 3 / 2 единиц длины. Наконец, рациональному числу «нуль» поставим в соответствие точку О.
Очевидно, что при выбранном соответствии равным рациональным числам (например, 1 / 2 и 2 / 4) будет отвечать одна и та же точка, а не равным между собой числам различные точки прямой. Предположим, что числу m / n соответствует точка P , а числу k / l точка Q. Тогда, если m / n > k / l , то точка Р будет лежать правее точки Q (рис. 52, а); если же m / n < k / l , то точка Р будет находиться левее точки Q (рис. 52, б).
Итак, любое рациональное число можно геометрически изобразить в виде некоторой, вполне определенной точки прямой. А верно ли обратное утверждение? Всякую ли точку прямой можно рассматривать как геометрический образ некоторого рационального числа? Решение этого вопроса мы отложим до § 44.
Упражнения
296. Изобразить точками прямой следующие рациональные числа:
3; - 7 / 2 ; 0 ; 2,6.
297. Известно, что точка А (риc. 53) служит геометрическим изображением рационального числа 1 / 3 . Какие числа изображают точки В, С и D?
298. На прямой заданы две точки, которые служат геометрическим изображением рациональных чисел а и b а + b и а - b .
299. На прямой заданы две точки, которые служат геометрическим изображением рациональных чисел а + b и а - b . Найти на этой прямой точки, изображающие числа а и b .
