要約
この課は数の集合についての単元を開く。単元の道筋を示す。それは自然数から出発し、拡張を重ねて、整数、有理数、実数、複素数に至る道筋である。さらに、これらの拡張の歴史を、エジプトの分数とギリシアの通約不可能な量の危機から 19 世紀の厳密な基礎づけまでたどり直す。また、拡張を生んだ問題を正確に定式化する。それはつねに、手もとにある集合のなかでは解をもたない方程式である。そして、実数解をもつ方程式が複素数を経由することを要求するボンベリの例を検討する。最後に、これらの集合がコースの残りの部分、このサイトのほかのコース、そして科学と技術のどこで用いられるかを示す。
学習目標
- 単元の道筋を述べ、自然数から複素数へ至る構成の連なりに各課が何をもたらすかを説明する。
- 各拡張について、それを促す方程式を定式化し、それぞれの移行でどの性質が得られ、どの性質が失われるかを示す。
- 数の概念の拡張の主な段階を歴史的背景のなかに位置づけ、それぞれを推し進めた測定、計算、または基礎づけの問題を特定する。
- 数の集合が、コースの残りの部分、ほかのコース、そして科学的・技術的な応用のどこに現れるかを示す。
導入テスト
単元に取りかかる前に、出発点を測っておくとよい。このテストは自分で確かめるためのもので、採点はされない。どこで立ち止まるべきかを知るのに役立つ。最初の十問は単元の八つの内容の課を扱う。第六問と第七問はともに有理数の指数を扱い(そのうち後者は分母の有理化を扱う)、第十問は小数表示に戻って、文脈のある問題を立て、その結果を適切な四捨五入のうえ科学的記数法で答えさせる。同じ技能は、最後のまとめの課で、別のデータを使って改めて測る。最後の三問は、この単元が前の単元から既知とするもの、すなわち自然数についての余りのある割り算、最大公約数、ユークリッドの補題を確かめる。
単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。
問 1これらの方程式のうち、 では解をもつが では解をもたないものはどれか。
その解 はすでに有理数である:この方程式が迫るのは、整数から有理数への移行であって、有理数から実数への移行ではない。その解 は整数である:この方程式が促すのは、自然数から整数への移行である。実数解をもたない。実数の平方は決して負にならないからである。その解 と は複素数である。その解は と で、いずれも実数である。そして は有理数ではない。 は自然数の平方ではないからである。これは の無理性を証明するのと同じ論法である。復習: 数の集合:自然数から複素数まで
問 2整数の構成において、これらの自然数の対のうち、対 と同じ整数を表すものはどれか。
反数 を表す:成分を入れ替えると、対は対角線に関して折り返される。条件 は成り立たない。二つの成分をともに 倍している。分数の分子と分母に同じ数を掛けるときのようにである。自然数の対は、商ではなく差によって同一視される:。一方の成分だけに を足しており、これは差を変える: は を表す。 だからである。別の代表元に移るには、両方の成分に同じ数を足さなければならない。二つの対 と は、 のとき同値である。ここでは 。どちらも整数 を表す。復習: 整数:構成・符号・順序
問 3 を計算し、結果を既約分数で答えよ。
問 4これらの分数のうち、小数表示が有限になるものはどれか。
既約分数の分母が素因数 をもつので、小数表示は循環する: 分母が の倍数であるだけでは足りない。分母が で終わるだけでは足りない: は因数 をもち、小数表示は循環する。分母が偶数であるだけでは足りない: は因数 をもち、小数表示は循環する。既約分数であり、分母は で、ほかの素因数をもたない:小数表示は有限で、 である。復習: 有理数の小数表示
問 5実数 ( を満たすもの)全体の集合はどれか。
の符号を変えている: から導かれるのは であり、 ではない。不等式が狭義なので、端点は集合に属さない: のとき となり、これは より小さくない。だけを解いている。絶対値は も要求し、たとえば は を与える。条件 は と同値である。 とおき、 を足して で割ると となる。復習: 実数直線:順序・区間・絶対値
問 6 を計算せよ。
問 7 の分母を有理化した結果はどれか。
平方を足して としている:二数の和と差の積は、それらの平方の差であって、平方の和ではない。分母の二項式を共役な式に替えずに、そのまま残している。もしこれが結果なら、 は に等しくなるはずだが、実際には である。と書いている:差の根は根の差ではない。分子と分母に、分母の共役な式 を掛ける。分母は平方の差 となり、分子と約分される。復習: 有理数の指数と累乗根
問 8 がどんな値のとき、連立方程式 、 は無数の解をもつか。
正しい答え:
連立方程式の行列式は であり、第二式の係数は第一式の係数の 倍である。 ならば二つの式は同じになり、解は無数にある。 ならば両立せず、解は一つもない。行列式が零であるだけでは、解が無数にあるとはいえない。問 9 における方程式 の解はどれか。
公式で をとっているが、とるべきは である:解の和は でなければならず、 ではない。で割っていない。 を方程式に代入しても にならない。の根をとっているが、とるべきは の根である。これらの数は解ではない:その積は であり、 ではない。判別式は であり、 におけるその平方根は である。解は で、互いに共役である。実数係数の方程式では、そうなるはずである。復習: 複素数:演算と方程式
問 10閉め方の悪い蛇口から 秒ごとに一滴ずつ水が落ち、一滴の体積は ミリリットルである。 日の一年で、何リットルの水が失われるか。結果を、有効数字二桁に四捨五入して、科学的記数法で答えよ。
四捨五入をせずに、余分な桁を切り捨てている: は に近く、 からはより遠い。切り捨てると、四捨五入の誤差のほぼ二倍の誤差が生じることがある。この数はリットルではなくミリリットルを数えている:さらに で割る必要がある。一秒に一滴と仮定している。実際に落ちるのはその半分、二秒に一滴である。一年は 秒である。落ちる水滴の数はその半分の で、合計 ミリリットル、すなわち リットルとなる。有効数字二桁に四捨五入すると で、相対誤差は より小さい。復習: 有理数の小数表示
問 11前の単元から商 と余り はそれぞれいくつか( を で割る余りのある割り算において)。
等式 は正しいが、余りは を満たさなければならない。これは零に向かって切り捨てた商であり、それが余りのある割り算の商と一致するのは、割り切れるときか、被除数が負でないときだけである。を で割り、商の符号だけを変えている: であり、 ではない。が のもとで成り立ち、これらの条件を満たす商と余りは一意である。復習: 整除と余りのある割り算
問 12前の単元から と の最大公約数を求めよ。
正しい答え:
ユークリッドの互除法により、、、 であり、最後の零でない余りは である。また、 と は を共有する。 を得た人は最小公倍数を計算しており、 を得た人は共通因数 を見落としている。復習: 最大公約数と最小公倍数
問 13前の単元から素数 が を割り切るとき( は自然数)、何がいえるか。
ユークリッドの補題は自然数のどんな積についても成り立つ。要求されるのは、因数ではなく、割る数が素数であることである。逆である: は を割り切るので、平方 は を割り切る。この論法は偶奇によらない:ユークリッドの補題はすべての素数について成り立つ。ユークリッドの補題により、積を割り切る素数は、いずれかの因数を割り切る。ここでは二つの因数はどちらも である。これは、 が有理数でないことの証明の要となる点である。復習: 素数と算術の基本定理
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