所谓有理数就是可以写成两个整数之比的数,所以我们假设有两个有理数b1/a1,b2/a2,其中a1、b1、a2、b2都是整数,考察一下它们做四则运算的结果:
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可以看出,四个运算结果依然都还是有理数,这就证明了有理数集对四则运算都是封闭的 。
这里我想说的是,数学家们已经证明了:有理数集是对加减乘除四则运算都封闭的最小的数集 。意思就是说任何比有理数还要小的集合,哪怕只比有理数集少一个数,就不再对加减乘除四则运算封闭了 。
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在抽象代数学中,我们把对加减乘除四则运算都封闭的集合称为一个数域(number field),可以看出,实数集和复数集都是数域 。而我们上面提到的结论就是:有理数集是最小的数域 。换句话说,任何数域都包含有理数集作为它的子集 。
无理数集分析完这些,我们就可以来看看无理数集了 。我们会发现,无理数及对四则运算都不封闭 。我们很容易就能举出例子来:
对加法:√2和-√2都是无理数,但是加在一起等于0,0不是无理数 。对减法:√2和-√2的例子可以看成是√2-√2,结果也是0 。对乘法:√2×√2,结果是2,2不是无理数 。对除法:√2÷√2,结果是1,1不是无理数 。
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原来无理数集是个如此糟糕的集合!这就是我们不给它用字母表示的原因 。
在现代代数学中,数学家们主要关注的就是集合及集合中元素的运算结构,产生了群(group),环(ring),域(field)等一系列概念 。
一个集合上某个运算是封闭的,那么研究它才有意义,会有很多很美好的性质 。但是如果运算不封闭,那么研究起来就会杂乱无章,并没有太大意义 。
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对于前面五个集合,都存在至少一种运算使其封闭,我们就利用这种封闭性来得出不少新的性质,解决了很多数学问题,甚至构造出更多更复杂的结合 。数学家们经常使用这五个集合,为了叙述上的方便,就拿五个字母来代替他们 。
但是对于无理数集合,因为它对四则运算都不封闭,因此无法得到像前面五个集合那样丰富的性质,使用起来也就不如它们频繁,所以我们就没有必要拿一个单独的字母来命名它 。
结束语讲到这里就不得不稍微提一下近世代数(modern algebra)的发展 。
近世代数中最主要的概念——群,思想起源于19世纪法国数学天才伽罗瓦(Galois,1811~1832) 。伽罗瓦利用群论的方法,彻底解决了五次及以上方程根式解的问题,是数学发展史上开天辟地的事情 。我这位旷世数学天才却因为意外而英年早逝,年仅21岁,是人类数学史上的一大憾事 。
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不过,我们现在在教科书上学到的代数学之所以长这个样子,则主要归功于20世纪德国女数学家,被誉为“现代代数之母”的艾米·诺特(Emmy Noether,1882~1935) 。诺特是数学史上毫无争议的最伟大的女数学家,他和他的学生所形成的“诺特学派”,彻底改变了代数学的全貌 。
【自然数集,整数集,有理数集等都有字母表示,为什么无理数集没有】
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