Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Н. Б.Алфутова, А.В.Устинов - Алгебра и теория чисел для математических школ.pdf
Скачиваний:
283
Добавлен:
17.05.2013
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Глава 5

Числа, дроби, системы счисления

1. Рациональные и иррациональные числа

Определение. Число α называется рациональным, если оно представимо в виде α = m/n, где m — некоторое целое, а n — натуральное числа. Все остальные действительные числа называются иррациональными. Множество всех рациональных чисел обозначается через Q. Два числа называются несоизмеримыми, если их отношение иррационально.

Определение. Десятичная дробь

α = 0,a1a2 . . . akb1b2 . . . bnb1b2 . . . bnb1b2 . . . bn . . . ,

где b1b2 . . . bn — наименьший по длине отрезок цифр, повторяющийся начиная с некоторого места, называется периодической десятичной дробью. При том набор цифр b1b2 . . . bn называется периодом, набор a1a2 . . . ak — предпериодом, n — длиной периода и дробь записывается в виде

α= 0,a1a2 . . . ak(b1b2 . . . bn).

5.1.Представьте следующие рациональные числа в виде десятичных

дробей:

а)

1

;

б)

2

;

в)

1

;

г)

 

1

.

7

7

14

17

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2. Найдите цифры a и b такие, для которых

√

0,aaaaa . . . = 0,bbbbb . . .

5.3. Найдите период дроби

491 = 0,0204081632 . . .

Как можно объяснить тот факт, что после запятой появляются степени числа 2?

5.4. Число Фейнмана. Объясните поведение следующей десятичной дроби и найдите ее период:

2431 = 0,004115226337448 . . .

1. Рациональные и иррациональные числа

71

5.5. Представьте следующие числа в виде обычных и в виде десятичных дробей:

а) 0,(12) + 0,(122); б) 0,(3) · 0,(4); в) 0,(9) − 0,(85).

5.6.Докажите, что число рационально тогда и только тогда, когда оно представляется конечной или периодической десятичной дробью.

5.7.Для каких натуральных n число n1 представляется конечной десятичной дробью?

5.8.Пусть число α задается десятичной дробью

а) α = 0,101001000100001000001 . . . ; б) α = 0,123456789101112131415 . . .

Будет ли это число рациональным?

5.9.Докажите, что в любой бесконечной десятичной дроби можно так переставить цифры, что полученная дробь станет рациональным числом.

5.10.Коля Васин задумал написать программу, которая дала бы

возможность компьютеру печатать одну за другой цифры десятичной

√

записи числа 2. Докажите, что даже если бы машина не ломалась, то Колина затея все равно бы не удалась, и рано или поздно компьютер напечатал бы неверную цифру.

5.11. Найдите все такие натуральные n, для которых

1

и

1

n

n + 1

 

 

представляется конечными десятичными дробями.

√

5.12. Докажите, что среди чисел [2k 2] (k = 0, 1, . . . ) бесконечно много составных.

5.13. Докажите иррациональность следующих чисел:

а)

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

3

 

 

 

 

ж) sin 1◦;

√17;

 

 

 

 

 

 

√3 − √2;

б)

√

 

+

√

 

;

 

 

 

д) cos 10◦;

з) log2 3.

2

3

 

 

 

в)

√

 

+

√

 

+

√

 

;

е) tg 10◦;

 

2

3

5

 

5.14. Метод спуска.

Докажите, что уравнения

а) 8x4 + 4y4 + 2z4 = t4;

в) x2 + y2 + z2 + u2 = 2xyzu;

б) x2 + y2 + z2 = 2xyz;

г) 3n = x2 + y2

не имеют решений в натуральных числах.

5.15.Докажите, что уравнение x3 + x2y + y3 = 0 не имеет рациональных решений кроме (0; 0).

5.16.Может ли

а) сумма двух рациональных чисел быть иррациональной? б) сумма двух иррациональных чисел быть рациональной?

72 5. Числа, дроби, системы счисления

в) иррациональное число в иррациональной степени быть рацио-

нальным?

√

5.17. Один из корней уравнения x2+ax+b = 0 равен 1+ 3. Найдите a и b, если известно, что они рациональны.

5.18.Пусть a, b, c — различные простые числа. Докажите, что числа

√√ √

a, b, c не могут быть членами одной арифметической прогрессии.

5.19. Упростите выражение:

r

q p √

2 3 + 5 − 13 + 48.

5.20. Докажите равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

6 +

 

 

 

 

847

+

 

 

3 6 −

847

= 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

 

27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.21. Найдите первые 17 знаков в десятичной записи у чисел:

а) √

 

 

1 √

 

+ √

 

 

 

1 √

 

 

 

 

+ . . . +

 

 

 

 

 

 

1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

√

 

 

 

1 +

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2 +

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

99 +

100

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 +

 

 

p+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

p−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

2 +

 

 

 

3/2

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −

3/2

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40 p2 − 57 −

 

40

 

p+ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

2

57

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.22. Вычислите:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 2 + 7 −

 

 

 

 

 

 

 

 

− ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

3 20 +

 

√

392

+

3

 

 

20 −

√

392

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

6 6

).

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

5√

2

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 6√

 

+ x − 6√

 

 

9 x 18

 

 

 

 

x 9

x − 9

5.23. Задача Бхаскары. Упростите выражение

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 + √

 

 

+ √

 

 

 

 

+

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

40

60.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.24. Формула сложного радикала. Докажите равенство:

q

 

 

= r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

± r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a ± √b

a +

2

 

−

 

 

 

−

2

 

− b.

 

 

 

 

 

 

 

√a2

 

b

 

 

 

 

 

a

 

 

 

√a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(См. также 7.15.)

 

√

 

 

+ √

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

√

 

+ √

 

 

 

+ √

 

+ √

 

 

5.25*. Докажите, что число

 

 

+

 

+

 

 

 

 

 

2

3

5

7

11

13

17

иррационально.

5.26. При каких натуральных a и b число loga b будет рациональным?

1. Рациональные и иррациональные числа

73

5.27.Докажите, что sin x и cos x рациональны тогда и только тогда, когда число tg(x/2) рационально.

5.28.Дана квадратная сетка на плоскости и треугольник с вершинами в узлах сетки. Докажите, что тангенс любого угла в треугольнике — число рациональное.

5.29.Можно ли нарисовать правильный треугольник с вершинами

вузлах квадратной сетки?

5.30.Дан лист клетчатой бумаги. Докажите, что при n 6= 4 не

существует правильного n-угольника с вершинами в узлах решетки.

√ √

5.31.Докажите, что на окружности с центром в точке ( 2; 3) лежит не более одной точки целочисленной решетки.

5.32.Избавьтесь от иррациональности в знаменателе:

а)

 

 

1

 

 

;

 

 

 

 

г)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

;

 

ж)

 

1

 

 

 

 

.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√a

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

2

 

√3

 

 

√

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√a + b +

√c

б)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

;

д)

 

 

2 + p1

+

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√a +

√b + √c

 

 

 

√a +

√ab + √b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

;

е)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

√

√

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − √a + a

 

 

 

 

 

2 + 4 + 8 + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√ √

5.33. При каких натуральных n число ( 2 + 1)n − ( 2 − 1)n будет

целым?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.34. Докажите следующие равенства:

 

 

 

 

а) s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1024 2 + √3 +

1024

2 − √3;

2 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ . . . +

2

+ √6

 

 

r

 

 

 

q

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

{z

 

 

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) s

10 радикалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ . . . + q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ √

 

= 2 cos

π

.

 

 

 

 

2

2

2

 

 

 

 

 

 

2n+1

 

 

 

 

|

 

 

 

 

{z

 

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nрадикалов

5.35.Иррациональность числа e. Число e определяется равен-

ством e = lim (1 + 1/n)n. Докажите, что

n→∞

а) e = lim (2 + 1/2! + 1/3! + . . . + 1/n!);

n→∞

б) e = 2 + 1/2! + 1/3! + . . . + 1/n! + rn, где 0 < rn 6 1/(n!n);

в) e — иррациональное число. (См. также 11.73, 7.51).

5.36*. Число e и комбинаторика. Дано N точек, никакие три из которых не лежат на одной прямой. Каждые две из этих точек соединены отрезком, и каждый отрезок окрашен в один из k цветов.