Рэчаісны лік

Рэчаі́сны або сапра́ўдны лік — любы дадатны, адмоўны лік ці нульБЭ ў 18 т. Т. 9. Мн., 2002..

Рэчаісныя (сапраўдныя) лікі — матэматычная абстракцыя, якая ўзнікла з патрэбы вымярэння геаметрычных і фізічных велічынь навакольнага свету, а таксама для ажыццяўлення такіх аперацый як вылічэнне квадратнага кораня, лагарыфмаў, развязанне алгебраічных ураўненняў.

Калі натуральныя лікі ўзніклі пры лічэнні, рацыянальныя — з патрэбы выкарыстоўваць часткі цэлага, то рэчаісныя лікі прызначаны для вымярэння непарыўных велічынь. Такім чынам, пашырэнне запасу разгляданых лікаў прывяло да мноства рэчаісных лікаў, якое апрача лікаў рацыянальных утрымлівае таксама іншыя элементы, так званыя ірацыянальныя лікі.

Наглядна паняцце рэчаіснага ліку можна ўявіць сабе пры дапамозе лікавай прамой. Калі на прамой выбраць напрамак, пачатковую кропку і адзінку даўжыні для вымярэння адрэзкаў, то кожнаму рэчаіснаму ліку можна паставіць у адпаведнасць пэўную кропку на гэтай прамой, і наадварот, кожная кропка будзе выявай некаторага, і прытым толькі аднаго, рэчаіснага ліку. У выніку гэтай адпаведнасці словазлучэнне «лікавая прамая», або «рэчаісная прамая», звычайна ўжываецца ў якасці сіноніма да «мноства рэчаісных лікаў».

Паняцце рэчаіснага ліку прайшло доўгі шлях станаўлення. Яшчэ ў Старажытнай Грэцыі ў школе Піфагора, якая ў аснову ўсяго ставіла цэлыя лікі і іх адносіны, было адкрыта існаванне несувымерных велічынь (несувымернасць стараны і дыяганалі квадрата), ці, на сучасны лад, ірацыянальных лікаў. Услед за гэтым Эўдокс Кнідскі зрабіў спробу пабудаваць агульную тэорыю ліку, якая ўключала б ў сябе несувымерныя велічыні. Пасля гэтага, на працягу больш чым двух тысячагоддзяў ніхто не адчуваў неабходнасці ў дакладным азначэнні паняцця рэчаіснага ліку, нягледзячы на паступовае пашырэнне гэтага паняцця. Толькі ў другой палове XIX стагоддзя, калі развіццё матэматычнага аналізу запатрабавала перабудовы яго асноў на новым, вышэйшым узроўні строгасці, у працах К. Ваерштраса, Р. Дэдэкінда, Г. Кантара, Э. Гейнэ, Ш. Мерэ была створана строгая тэорыя рэчаісных лікаў.

З погляду сучаснай матэматыкі, мноства рэчаісных лікаў — непарыўнае ўпарадкаванае поле. Гэта азначэнне, ці раўназначная сістэма аксіём, дакладна вызначае паняцце рэчаіснага ліку ў тым сэнсе, што існуе толькі адно, з дакладнасцю да ізамарфізму, непарыўнае ўпарадкаванае поле.

Мноства рэчаісных лікаў звычайна абазначаецца як  (Unicode: ℝ) ад  — рэчаісны.

 Канстуктыўныя спосабы азначэння рэчаіснага ліку 

Пры канструктыўным азначэнні паняцця рэчаіснага ліку, на аснове вядомых матэматычных аб’ектаў (напрыклад, мноства рацыянальных лікаў ), якія прымаюцца вызначанымі, будуюць новыя аб’екты, якія, у пэўным сэнсе, адлюстроўваюць наша «побытавае» ўяўленне пра паняцце рэчаіснага ліку. Істотным адрозненнем між «побытавымі» рэчаіснымі лікамі і гэтымі пабудаванымі аб’ектамі заключаецца ў тым, што першыя, у адрозненне ад другіх, ўсведамляюцца намі інтуітыўна і «пакуль» не з’яўляюцца строга вызначаным матэматычным паняццем.

Гэтыя аб’екты і аб’яўляюць рэчаіснымі лікамі. Для іх уводзяць асноўныя арыфметычныя аперацыі, вызначаюць дачыненні парадку і даказваюць іх уласцівасці.

Гістарычна першымі строгімі азначэннямі рэчаіснага ліку былі іменна канструктыўныя азначэнні. У 1872 годзе былі надрукаваны адначасова тры працы: тэорыя фундаментальных паслядоўнасцей Кантара, тэорыя Ваерштраса (у сучасным варыянце — тэорыя бесканечных десятковых дробаў) і Дэдэкіндава тэорыя сячэнняў у мностве рацыянальных лікаў.

 Праз фундаментальныя паслядоўнасці Кантара 

У дадзеным падыходзе рэчаісны лік разглядаецца як граніца паслядоўнасці рацыянальных лікаў. Каб паслядоўнасць рацыянальных лікаў збягалася, на яе накладваецца ўмова Кашы:

Сэнс гэтай умовы заключаецца ў тым, што члены паслядоўнасці, пачынаючы з некаторага нумара, будуць ляжаць адвольна блізка адзін да аднаго. Паслядоўнасці, якія задавальняюць умову Кашы, называюцца фундаментальнымі.

Рэчаісны лік, азначаны фундаментальнай паслядоўнасцю рацынальных лікаў , пазначым .

Два рэчаісных лікі
 і 
вызначаныя адпаведна фундаментальнымі паслядоўнасцямі  і , называюцца роўнымі, калі

Хай дадзены два рэчаісныя лікі  і , то іх сумай і здабыткам называюцца лікі, вызначаныя адпаведна сумай і здабыткам паслядоўнасцей  і :

Дачыненне парадку на мностве рэчаісных лікаў вызначаецца паводле пагаднення, адпаведна якому лік  па азначэнні большы за лік , г.зн. , калі

Спосаб пабудовы мноства рэчаісных лікаў з дапамогай фундаментальных паслядоўнасцей рацыянальных лікаў з’яўляецца асобным выпадкам пабудовы папаўнення адвольнай метрычнай прасторы. Як і ў агульным выпадку, атрыманае ў выніку папаўнення мноства рэчаісных лікаў само ўжо з’яўляецца поўным, г.зн. утрымлівае граніцы ўсіх фундаментальных паслядоўнасцей сваіх элементаў.

 Праз бесканечныя дзесятковыя дробы 

Рэчаісны лік азначаецца як бесканечны дзесятковы дроб, гэта значыць выраз выгляду

дзе  — адзін са знакаў  ці  і называецца знакам ліку,  — цэлы неадмоўны лік,  — паслядоўнасць дзесятковых знакаў, г. зн. элементаў лікавага мноства .

Бесканечны дзесятковы дроб можна вытлумачыць як такі лік, які ляжыць на лікавай прамой між рацыянальнымі лікамі выгляду
 і 
для ўсіх 

Параўнанне рэчаісных лікаў у форме бесканечных дзесятковых дробаў ажыццяўляецца паразрадна. Напрыклад, няхай дадзеныя два неадмоўныя лікі

Калі , то ; калі  то . У выпадку роўнасці  пераходзяць да параўнання наступнага разрада. І гэтак далей. Калі , то пасля канечнага ліку крокаў сустрэнецца першы разрад , такі што . Калі , то ; калі , то .

Аднак, пры гэтым трэба ўлічваць, што лік . Таму калі запіс аднаго з параўноўваных лікаў, пачынаючы з некаторага разрада, уяўляе сабой перыядычны дзесятковы дроб, дзе ў перыядзе стаіць 9, то яго трэба замяніць на раўназначны запіс, дзе ў перыядзе нуль.

Арыфметычныя аперацыі над бесканечнымі дробамі азначаюцца як непарыўны працягРаз на мностве рэчаісных лікаў ужо ўведзена дачыненне лінейнага парадку, то мы можам вызначыць тапалогію лікавай прамой: у якасці адкрытых мностваў возьмем усемагчымыя аб’яднанні прамежкаў віду  адпаведных аперацый над рацыянальнымі лікамі. Напрыклад, сумай рэчаісных лікаў  і  называецца рэчаісны лік , які задавальняе ўмову:

Падобным жа чынам азначаеца і аперацыя множання бесканечных дзесятковых дробаў. Здабыткам двух дадатных рэчаісных лікаў  і  называецца рэчаісны лік , які задавальняе наступную ўмову:

Як і ў выпадку складання, лік, які задавальняе гэту ўмову, існуе і адзіны. Пасля гэтага лёгка вызначыць множанне двух рэчаісных лікаў з адвольнымі знакамі.

Можна праверыць, што ўведзеныя на мностве рэчаісных лікаў аперацыі складання і множання супадаюць з аперацыямі складання і множання рацыянальных лікаў.

 Праз сячэнні ў мностве рацыянальных лікаў 

У падыходзе Дэдэкінда лікі азначаюцца з дапамогай сячэнняў у мностве рацыянальных лікаў.
Тэорыя Дэдэкінда, пабудаваная ў 1858 годзе, была выдадзена ў 1872 годзе ў невялікай кніжцы «Непарыўнасць і ірацыянальныя лікі» (). І на сённяшні дзень гэта кніжка застаецца адной з найлепшых па яснасці і даступнасці выкладання дадзенага пытання.

Сячэннем у мностве рацыянальных лікаў  называецца ўсякая разбіўка сукупнасці ўсіх рацыянальных лікаў на два непустыя падмноствы, ці класы — ніжні  і верхні , так што кожны лік з ніжняга класа строга меншы за любы лік з верхняга:

Калі існуе лік , які з’яўляецца найбольшым у ніжнім класе, альбо найменшым у верхнім класе, то гэты лік раздзяляе мноствы  і : лікі ніжняга і верхняга класаў ляжаць па розныя бакі ад . Таксама кажуць, што рацыянальны лік  ажыццяўляе дадзенае сячэнне мноства рацыянальных лікаў.

Калі ж у ніжнім падмностве няма найбольшага элемента, а ў верхнім — найменшага, то не існуе ніякага рацыянальнага ліку, які раздзяляў бы мноствы  і . У гэтым выпадку па азначэнні прымаюць, што гэта сячэнне вызначае некаторы ірацыянальны лік , які знаходзіцца паміж ніжнім і верхнім класамі, і тым самым ажыццяўляе дадзенае сячэнне. Інакш кажучы, для ўсякага сячэння, якое не ажыццяўляецца ніякім рацыянальным лікам, уводзяць новы аб’ект — ірацыянальны лік, які па азначэнні большы за ўсякі лік з ніжняга падмноства і меншы за ўсякі лік з верняга падмноства:

Сукупнасць усіх рацыянальных і ўсіх ірацыянальных лікаў называюць мноствам рэчаісных лікаў, а яго элементы — рэчаіснымі лікамі.

Арыфметычныя аперацыі над рэчаіснымі лікамі азначаюцца як непарыўны працяг адпаведных аперацый над рацыянальнымі лікамі. Напрыклад, сумай рэчаісных лікаў  і  называецца рэчаісны лік , які задавальняе наступную ўмову:

 Аксіяматычны падыход 
Пабудаваць мноства рэчаісных лікаў можна рознымі спосабамі. У тэорыі Кантара рэчаісныя лікі — гэта класы эквівалентных фундаментальных паслядоўнасцей рацыянальных лікаў, у тэорыі Ваерштраса — бесканечныя дзесятковыя дробы, у тэорыі Дэдэкінда — сячэнні ў мностве рацыянальных лікаў. Ва ўсіх гэтых падыходах у выніку мы атрымліваем нейкае мноства аб’ектаў (рэчаісных лікаў), які маюць пэўныя ўласцівасці: іх можна складваць, перамнажаць, параўноўваць між сабою. Да таго ж, калі высветлены ўласцівасці гэтых аб’ектаў, мы можам больш не звяртацца да гэтых пэўных канструкцый, з дапамогай якіх яны былі пабудаваны.

У матэматыцы істотнымі з’яўляюцца не пэўныя пабудовы аб’ектаў, а толькі матэматычныя суадносіны між самімі аб’ектамі.

Чалавеку, які даследуе матэматычнае паняцце колькасці элементаў, няма розніцы, пра што казаць — пра тры яблыкі ці пра тры камяні, і іх ядомасць ці неядомасць не мае значэння. Падчас адцягнення ад неістотных прыкмет, г.зн. абстрагавання ( — адцягненне), ён прыходзіць да таго агульнага, што ўласціва і тром яблыкам, і тром камяням — колькасці элементаў. Так узнікае адцягненае паняцце натуральнага ліку. З такога погляду тры яблыкі і тры камяні — два пэўныя увасабленні, мадэлі адцягненага паняцця «лік тры».

Гэтак жа класы фундаментальных паслядоўнасцей рацыянальных лікаў, бесканечныя дзесятковыя дробы і сячэнні ў мностве рацыянальных лікаў — гэта ўсяго толькі нейкія ўвасабленні рэчаіснага ліку. Само ж паняцце рэчаіснага ліку вызначаецца істотнымі для яго матэматычнымі суадносінамі. Як толькі яны вызначаны, адразу ж вызначана і паняцце рэчаіснага ліку.

Тут дарэчы прывесці знакамітае выказванне Д. Гільберта, заснавальніка паслядоўнага аксіяматычнага падыходу ў матэматыцы. Гільберт, маючы на ўвазе аксіяматычныя асновы геаметрыі, неяк заўважыў:

 Аксіёмы рэчаісных лікаў 
Мноства  называецца мноствам рэчаісных лікаў, а ягоныя элементы — рэчаіснымі лікамі, калі задавальняецца наступная сукупнасць умоў, якая называецца аксіяматыкай рэчаісных лікаў:

 Аксіёмы поля 
На мностве  вызначана адлюстраванне (аперацыя складання)
,
якая супастаўляе кожнай упарадкаванай пары элементаў  з  некаторы элемент  з таго ж мноства , які называецца сумай  і  (сума элементаў  і  абазначаецца праз ).

Таксама, на мностве  вызначана адлюстраванне (аперацыя множання)

якая ставіць у адпаведнасць кожнай упарадкаванай пары элементаў  з  некаторы элемент , які называецца здабыткам  і .

Пры гэтым выконваюцца наступныя законы.

Аксіёмы абелевай групы для складання:

  Перастаўляльнасць (камутатыўнасць) складання. Для любых 

  Спалучальнасць (асацыятыўнасць) складання. Для любых 

  Існаванне нуля. Існуе элемент , які называецца нулём, такі што для любога 

  Існаванне процілеглага элемента. Для любога  існуе элемент , які называецца процілеглым да , такі што

Аксіёмы абелевай групы для складання:

  Перастаўляльнасць множання. Для любых 

  Спалучальнасць множання. Для любых 

  Існаванне адзінкі. Існуе элемент , які называецца адзінкаю, такі што для любога 

  Існаванне адваротнага элемента. Для любога  існуе элемент , які абазначаецца таксама як  і называецца адваротным да , такі што

Аксіёмы колца для складання і множання:

  Размеркавальны (дыстрыбутыўны) закон множання адносна складання. Для любых 

  Нетрывіяльнасць поля. Адзінка і нуль — розныя элементы :

 Аксіёмы парадку 
Між элементамі  вызначана дачыненне , гэта значыць для любой упарадкаванай пары элементаў  з  вызначана: выконваецца дачыненне  ці не. Пры гэтым справядлівыя наступныя ўласцівасці.

  Рэфлексіўнасць (самадачыненасць). Для любого 

  Антысіметрычнасць (проціперастаўляльнасць). Для любых 

  Транзітыўнасць (пераходнасць). Для любых 

  Лінейная ўпарадкаванасць. Для любых 

  Узгодненасць парадку са складаннем. Для любых 

 Узгодненасць парадку з множаннем. Для любых 

 Аксіёмы непарыўнасці 
  Якія б ні былі непустыя мноствы  і , такія што для любых двух элементаў  і  спраўджваецца няроўнасць , існуе такі лік , што для ўсіх  і  справядлівыя суадносіны

 Заўвагі да аксіём 

Гэтых аксіём дастаткова, каб строга вывесці ўсе вядомыя ўласцівасці рэчаісных лікаў.

На мове сучаснай алгебры аксіёмы першай групы азначаюць, што мноства  з’яўляецца полем. Аксіёмы другой групы — што мноства  лінейна ўпарадкаванае ( — ), прычым дачыненне парадку ўзгоднена са структурай поля  — . Мноствы, якія задавальняюць аксіёмы першай і другой групы, называюцца ўпарадкаванымі палямі. Нарэшце, апошняя група, якая складаецца з адной аксіёмы, сцвярджае, што мноства рэчаісных лікаў мае ўласцівасць непарыўнасці, якая таксама называюць паўнатой. У выніку, можна даць раўназначнае азначэнне мноства рэчаісных лікаў.

Азначэнне. Мноствам рэчаісных лікаў называецца непарыўнае ўпарадкаванае поле.

 Іншыя сістэмы аксіём рэчаісных лікаў 
Існуюць і іншыя спосабы аксіяматызацыі рэчаісных лікаў. Напрыклад, замест аксіёмы непарыўнасці  можна выкарыстоўваць любую раўназначную ёй умову, ці сукупнасць умоў. Напрыклад, у сістэме аксіём, прапанаванай Гільбертам, аксіёмы груп  і , па сутнасці, тыя ж, што і вышэйпрыведзеныя, а замест аксіёмы  выкарыстоўваюцца наступныя дзве ўмовы:

  Аксіёма Архімеда. Няхай няроўнасць  раўназначная па азначэнні сістэме няроўнасцей  і  і . Тады элемент  можна паўтарыць складнікам канечную колькасць разоў так, што ўтвораная ў выніку сума пераўзыдзе :

  Аксіёма паўнаты (у сэнсе Гільберта). Мноства  немагчыма пашырыць ні да якага іншага мноства  такім чынам, каб пры захаванні ўсіх папярэдніх дачыненняў паміж элементамі , для  выконваліся б усе аксіёмы —, .

Такім чынам, можна даць яшчэ адно раўназначнае азначэнне:

Азначэнне. Мноства рэчаісных лікаў — гэта найшырэйшае архімедава ўпарадкаванае поле.

У якасці яшчэ аднаго прыклада аксіяматызацыі рэчаісных лікаў можна прывесці , якая складаецца ўсяго з 8 аксіём.

 Прыклады 
 Рацыянальныя лікі — 32, 36/29.
 Ірацыянальныя лікі — , .

 Зноскі 

 Літаратура 

 Стечкин С. Б. Действительное число // Большая Советская энциклопедия

 Спасылкі 
 Кириллов, А. А. Что такое число? // Выпуск 4-й серии «Современная математика для студентов». — М.: Физматлит, 1993. 
 Понтрягин, Л. С. Обобщения чисел // Серия «Математическая библиотечка». — М.: Наука, 1965. 

 Гл. таксама 
 Камплексныя лікі

Катэгорыя:Лікі
Катэгорыя:Матэматычны аналіз