Школьный курс математики

Рациональные числа и периодическая десятичная запись

Автор курса · Команда Небулс

Одна треть и её десятичная запись — одно число, представленное по-разному. Первая запись точная и короткая, вторая показывает последовательность десятичных разрядов. Эта статья объединяет известные дроби и целые числа; перед чтением нужно уметь делить дроби, сокращать их и выполнять действия со знаками.

Рациональное число

Рациональное число — число, которое можно представить отношением двух целых чисел с ненулевым знаменателем.

Общий вид такого представления:

Множество рациональных чисел обозначают . Числа , , и рациональные: например, , а . Записей одного числа много, потому что . Знак минус в знаменателе можно перенести в числитель, поэтому обычно выбирают положительный знаменатель.

Вложенные области натуральных, целых и рациональных чисел с примерами: 3, минус 2 и одна вторая.
Рис. 1. Каждое натуральное число целое, каждое целое рациональное; обратные включения неверны.

Число целое, но не натуральное; рациональное, но не целое. Такие примеры помогают читать классификацию без смешения понятий. Рациональность определяется существованием дроби , а не наличием дробной части в привычной записи.

Конечная и периодическая запись

Любая конечная десятичная дробь рациональна: . Но при делении числителя на знаменатель десятичная запись может продолжаться бесконечно. Для сначала получается цифра 1 после запятой, а затем повторяется цифра 6:

Периодическая десятичная дробь — бесконечная десятичная дробь, в которой, начиная с некоторого разряда, повторяется один и тот же блок цифр. Этот блок называют периодом.

В записи период — 27; в период — 6, а цифра 1 до него не повторяется. Скобки здесь обозначают период, а не арифметическое действие. Можно выделить более длинный повторяющийся блок, но обычно записывают кратчайший.

При делении 1 на 6 после первой цифры 1 остаётся 4; последующие шаги 40 разделить на 6 дают цифру 6 и снова остаток 4.
Рис. 2. Повторение остатка запускает повторение всех следующих цифр.

Почему запись рационального числа обязательно конечна или периодична? После каждого шага деления на положительное целое остаток — одно из чисел . Если получился 0, деление заканчивается. Если нуль не появляется, среди конечного количества ненулевых остатков какой-то повторится. С этого места одинаковый остаток задаёт те же цифры и следующие остатки, поэтому возникает период. Для отрицательного числа достаточно разделить его модуль и вернуть минус: последовательность десятичных цифр от этого не меняется.

Когда десятичная дробь заканчивается

Для несократимой дроби с положительным знаменателем конечная десятичная запись существует тогда и только тогда, когда в разложении знаменателя на простые множители есть только 2 и 5. Знаменатель 1 также подходит. Например, , потому что . А не имеет конечной записи: в знаменателе остаётся множитель 3.

Смысл правила связан с десятичными разрядами. Конечная запись означает дробь со знаменателем для некоторого неотрицательного целого . В таком знаменателе встречаются только двойки и пятёрки. Обратно, знаменатель из двоек и пятёрок можно домножить до степени десяти. Предварительное сокращение обязательно: , хотя в первоначальном знаменателе был множитель 3.

Возвращение к обыкновенной дроби

Для чисто периодической записи удобно сравнить число с тем же числом, умноженным на степень десяти. Обозначим . Тогда ; одинаковые бесконечные хвосты сокращаются при вычитании:

Для смешанной записи возьмём . Здесь , , поэтому и . Мы сначала расположили одинаковые периодические хвосты в одних разрядах. Это объясняет, почему нельзя без разбора делить все цифры записи на 99.

В общем случае такой же приём переводит конечный предпериод и конечный период в отношение целых чисел. Поэтому бесконечная периодическая запись тоже рациональна. Запись представляет число 1: тем же способом даёт . Две десятичные записи одного числа здесь не означают два разных числа.

Проверьте утверждение «бесконечная десятичная дробь обязательно иррациональна». Уже его опровергает. И наоборот, несколько показанных цифр сами по себе ещё не доказывают периодичность: нужно знать, как продолжается запись, например что это точное значение .