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实数


1. 实数(real numbers)

在这之前定义的四则运算(\(+-\times\div\)),以及衍出来的幂数指数对数,都是针对比例数定义的,所得出的运算性质也是针对比例数的。

那么,如果将这些运算,也类似应用于非比例数,这些运算性质,是否依然成立呢?

举一例:

假设\(a=\lim_{n\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{n})\)\(b=\lim_{m\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{m})\),那么 \[a\times b\]\[\lim_{n\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{n})\times\lim_{m\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{m})\] 等于多少呢,或者如何去计算结果呢?

一个直观的方式是, \[\begin{align*} a\times b &=\lim_{n\rightarrow\infty,m\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{n})\times(1-\frac{1}{m})\\ &=\lim_{n\rightarrow\infty,m\rightarrow\infty}(1-\frac{1}{n}-\frac{1}{m}+\frac{1}{nm})\\ &=1 \end{align*}\]

一个具体的例子是\(\sqrt{2}\times\sqrt{2}\)

\(\sqrt{2}\)的近似 \(\sqrt{2}\)的近似 乘积
1.4 1.4 1.96
1.41 1.41 1.9881
1.414 1.414 1.999396
1.4142 1.4142 1.9999616
1.41421 1.41421 1.9999899

可以看出随着\(\sqrt{2}\)的近似值不断接近\(\sqrt{2}\),近似值乘积也不断接近2(\(\sqrt{2}\times\sqrt{2}=(\sqrt{2})^2=2\))。

其实,这也是非比例数与非比例数(或比例数)之间四则运算(\(+-\times\div\))、幂数指数对数等运算的定义,即用不断逼近非比例数的比例数替代进行运算,最终得到的不断逼近的值,就是相应运算的结果。

绝大多数情况下,非比例数与非比例数(或比例数)之间的运算结果,也会是一个非比例数,也即是一个比例数无限逼近的值。

2. 实数的运算法则

可以证明的是1,比例数之间的运算法则,可以推广到非比例数,进而对所有实数适用。比如,如下表所示

比例数(\(a,b,m,n\))运算法则 实数(\(a,b,m,n\))运算法则
\(a+b=b+a\) \(a+b=b+a\)
\(a\times b=b\times a\) \(a\times b=b\times a\)
\(a^m\times a^n=a^{m+n}\) \(a^m\times a^n=a^{m+n}\)
\(a^m\div a^n=a^{m-n}\) \(a^m\div a^n=a^{m-n}\)
\((a^m)^n=a^{m\times n}\) \((a^m)^n=a^{m\times n}\)
\(a^n\times b^n=(a\times b)^n\) \(a^n\times b^n=(a\times b)^n\)
\(a^n\div b^n=(a\div b)^n\) \(a^n\div b^n=(a\div b)^n\)
\(\log_a(x) + \log_a(y) =\log_a(x\times y)\) \(\log_a(x) + \log_a(y) =\log_a(x\times y)\)
\(\log_a(x) - \log_a(y) =\log_a(x\div y)\) \(\log_a(x) - \log_a(y) =\log_a(x\div y)\)
\(n\times \log_a(x) =\log_a(x^{n})\) \(n\times \log_a(x) =\log_a(x^{n})\)
\(\log_a x + \log_b y = 2\log_{ab}(x\times y)\) \(\log_a x + \log_b y = 2\log_{ab}(x\times y)\)

我们现在可以自由自在地,对各种实数进行各种运算。 虽然,涉及非比例数的运算多数情况下,所得结果也是非比例数。 但是,我们有计算机(电脑)帮忙,可以轻松地计算任何非比例数运算,就像我们进行整数运算。


  1. 具体的证明过程,比较繁琐,需要一定深度的数学知识。↩︎