第二题 数学证明题

证明:有理数m/n展开的十进制小数最终是要循环的.... 证明:
有理数m/n展开的十进制小数最终是要循环的.
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紫色智天使
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抽屉原理去做

有理数m/n 如果m和n都是整数,则n不为0 而且不妨把n设为正整数(因为如果n是负整数,则-n是正整数 (-m)/(-n)=m/n,所以用-m,-n代替m,n即可)

现在n为除数,那么余数就只有0,1,2,…,n-1这n种可能值,是有限个。

在做除法时,如果经过有限步可除尽,那么剩下的可以认为是0的循环。
如果经过有限步不可除尽,那么余数有无限多。必有两次得到的余数会相同。而后面的结果就会开始循环。

~~~~~~~~~~~~
如果你认为说,在除法的演算过程这样的说法不严谨。
你可以考虑这样说
对考虑m,10*m,... 10^k *m ... 有无限多个数
10^k *m除以n的余数 就是在除法的演算过程中第k步的余数。
所以必有两个除以n的余数相同
A4941238
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无限循环小数

引言
欢迎光临本网页。在这个网页中,你可以学习到「无限循环小数」的概念。你亦可用本人编写的应用程序做有关无限循环小数的「数学实验」。

把分数化为无限循环小数
从小学低年班开始我们便学习分数和小数(这里指有限位小数),并且认识到两者之间可以互相转换。把分数转换成小数实际上就是做除法。我们在小学学习除法时,很早便发现做除法可能有两种结果,有些如10/4在小数点后若干位便「除得尽」,有些则如10/3是永远「除不尽」的。我们也认识到,某些分数即使除不尽,它们也可能表现为一个无限循环小数,例如10/3=3.333...(注1)。其实,如果我们把「除得尽」的分数也看成是无限循环小数(例如10/2=5.000...),那么我们可以把所有「规则」的分数都归为无限循环小数。接下来我们要问,是否存在「不规则」的分数,即是否存在不能表达为无限循环小数的分数呢?

在小学我们都学过圆周率π可以取22/7这个分数作为近似值。那么22/7是否无限循环小数呢?假如我们用普通的计算器算一下,发现22/7的近似结果是3.142857,似乎不循环。那么22/7是否就是一个「不规则」分数呢?答案是否定的。其实,如果我们有足够的耐性,把22/7继续算下去,我们便会发现这个分数从小数点后第7位便开始循环。这即是说,22/7实际是一个无限循环小数:

22 / 7 = 3.142857142857142857...
如果我们细心观察一下22/7的演算过程,我们便会明白为何这分数必然是循环的。在计算22/7的第一步骤中,我们先得商3和余数1。接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,得商1和余数3。接着我们把余数3倍大为30 ,然后计算30/7,得商4和余数2。接着我们又把余数2倍大为20,然后计算20/7......如此类推。因此,在计算 22/7时,我们实际上是在不断做10/7或20/7或30/7...。可是,由于任何数除以7所得的余数只有7种可能(即0、 1、2、3、4、5和6)(注2),这样下去必然会重复出现之前的计算。当出现重复时,接着下来的计算便会跟之前做过的计算一模一样,因而出现循环小数的情况。例如,在22/7的运算中,当计算至小数点后第6位时,得商7 和余数1,接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,但是此一计算在之前已做过,接下来的计算结果必然是 142857,因此22/7必然是不断重复出现142857这组数字的循环小数。

把上述讨论推广至一般情况,那么由于任何整数除以整数n,其余数只有n种可能(即0、1、2...、n - 1),因此在进行任何整数除法时,在运算至某一阶段时,必然会重复出现之前做过的运算,这时就必定重复出现之前的计算结果,即无限循环小数。换句话说,任何分数(在高等数学中称为「有理数」Rational Number)都必然是无限循环小数。

根据上段讨论,我们还可推算出,任何整数除以整数n,最迟至小数点后第n位便必定会开始出现循环。例如在 22/7的运算中,其结果便在小数点后第7位开始出现循环。不过,n只是一个上限(即最差情况),并非所有除法结果都会出现此「最差」情况。例如1/3的结果在小数点后第2位便开始出现循环。

上述讨论虽然只局限于整数除法,但其实也适用于涉及小数的除法,因为涉及小数的除法可以转化为整数除法。以12.5/1.05为例,只要我们把分子分母同时乘大100倍,得1250/105,其结果跟原来的除法相同。

数学实验
笔者用Flash编写了一个应用程序,让浏览者做一个数学实验,以验证上述讨论。使用者输入两个正整数后,程式便会计算这两个数相除的结果,计算进行至小数点后第1500位(使用者可用两个向上向下钮卷动计算结果)。由于本程序限制使用者输入的除数不得大于999,所以即使出现上述的「最差」情况,使用者也应能看到计算结果从小数点后哪一位开始出现循环。不过,在某些情况下,要看出小数点后哪一位开始出现循环有时也颇费神。各位可不妨试试让本程序算999/998,看看你是否看得出小数点后哪一位开始出现循环,以及循环数字包含哪些数字?如果没有上述的知识或这个程序,相信大多数人都会认为这个小数是不循环的。

请点击以下连结开启应用程序,该程序包含「使用说明」,浏览者只需依照说明上的指示便可使用该程序,请选择适合你计算机的程序。

无限循环小数应用程序(SWF文件)(你的计算机须安装Shockwave Flash软件,档案较小)
无限循环小数应用程序(EXE文件)(无需预先安装其它软件,但档案较大)
把无限循环小数化为分数
给定一个无限循环小数,我们是否能把它化为分数呢?其实方法也很简单,其关键在于利用「无限循环」这一点。例如,给定小数0.272727...,如何把它化为分数呢?我们可以先把它写成

1 x 0.272727... = 0.272727... (1)
由于这个小数包含两个循环数字,我们把它乘以100:

100 x 0.272727... = 27.2727... (2)
接着用(2)减(1),利用无限循环的特点,把小数点后的数字全部去掉,得

99 x 0.272727... = 27 (3)
接着把(3)化简,得

0.272727... = 3/11
当循环数字并非包括小数点后所有数字时,我们便需要多一点工夫。例如要把小数0.11345345...化为分数,可以这样做:

100 x 0.11345345... = 11.345345...
100000 x 0.11345345... = 11345.345...
99900 x 0.11345345... = 11334
0.11345345... = 11334/99900 = 1889/16650
利用上述方法,我们还可以获得某些意想不到的结果。试把0.99...化为分数:

1 x 0.99... = 0.99...
10 x 0.99... = 9.99
9 x 0.99... = 9
0.99... = 1
于是,我们得到1的无限循环小数表达式除了是1.00...外,还可以是0.99...。事实上,我们可以证明,凡是「除得尽」的分数,除可表达为以无限个0结尾的循环小数外,还可表达为以无限个9结尾的循环小数。

是否存在无限不循环小数?
在以上的讨论中,我们在有理数(即分数)与无限循环小数间建立了一一对应关系。接着下来,我们要问,是否存在无限不循环小数?答案是肯定的,而且我们可以很容易地构造这样的小数。例如以下的小数便是无限不循环的:

0.101001000100001000001...
除了这些「人为」构造的数外,在中学我们还会学到很多这样的数,称为「无理数」(Irrational Number)(注3 )。例如,可以证明2的平方根、3的平方根、圆周率π、自然数底e等等都是无理数。事实上,从「集合论」( Set Theory)我们得知无理数的数目比有理数的数目多得多(注4)。不过由于本网页的主旨是有理数,笔者不在此讨论这些问题了。

注1:这里所指的循环并非指小数点后的所有数字均为循环数字,例如23/6的结果为3.8333...,这个小数的循环数字并不包含小数点后第1位的数字8。

注2:此一结果是初等数论(Number Theory)中著名的「除法演算Division Algorithm定理」。虽然我们在念小学和中学时不会正式学到数论的内容,但在我们进行无数次除法运算后,我们应能直观地自行「发现」此一定理。

注3:无理数的基本定义是不能表达为分数的实数。但由于在上面我们已看到分数等同于无限循环小数,所以我们可以得出以下结论:无理数就是无限不循环小数。

注4:套用集合论的说法,有理数集是「可数无穷集」(Countably Infinite Set),而无理数集则是「不可数无穷集」(Uncountably Infinite Set)。
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从小学低年班开始我们便学习分数和小数(这里指有限位小数),并且认识到两者之间可以互相转换。把分数转换成小数实际上就是做除法。我们在小学学习除法时,很早便发现做除法可能有两种结果,有些如10/4在小数点后若干位便「除得尽」,有些则如10/3是永远「除不尽」的。我们也认识到,某些分数即使除不尽,它们也可能表现为一个无限循环小数,例如10/3=3.333...(注1)。其实,如果我们把「除得尽」的分数也看成是无限循环小数(例如10/2=5.000...),那么我们可以把所有「规则」的分数都归为无限循环小数。接下来我们要问,是否存在「不规则」的分数,即是否存在不能表达为无限循环小数的分数呢?

在小学我们都学过圆周率π可以取22/7这个分数作为近似值。那么22/7是否无限循环小数呢?假如我们用普通的计算器算一下,发现22/7的近似结果是3.142857,似乎不循环。那么22/7是否就是一个「不规则」分数呢?答案是否定的。其实,如果我们有足够的耐性,把22/7继续算下去,我们便会发现这个分数从小数点后第7位便开始循环。这即是说,22/7实际是一个无限循环小数:

22 / 7 = 3.142857142857142857...
如果我们细心观察一下22/7的演算过程,我们便会明白为何这分数必然是循环的。在计算22/7的第一步骤中,我们先得商3和余数1。接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,得商1和余数3。接着我们把余数3倍大为30 ,然后计算30/7,得商4和余数2。接着我们又把余数2倍大为20,然后计算20/7......如此类推。因此,在计算 22/7时,我们实际上是在不断做10/7或20/7或30/7...。可是,由于任何数除以7所得的余数只有7种可能(即0、 1、2、3、4、5和6)(注2),这样下去必然会重复出现之前的计算。当出现重复时,接着下来的计算便会跟之前做过的计算一模一样,因而出现循环小数的情况。例如,在22/7的运算中,当计算至小数点后第6位时,得商7 和余数1,接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,但是此一计算在之前已做过,接下来的计算结果必然是 142857,因此22/7必然是不断重复出现142857这组数字的循环小数。

把上述讨论推广至一般情况,那么由于任何整数除以整数n,其余数只有n种可能(即0、1、2...、n - 1),因此在进行任何整数除法时,在运算至某一阶段时,必然会重复出现之前做过的运算,这时就必定重复出现之前的计算结果,即无限循环小数。换句话说,任何分数(在高等数学中称为「有理数」Rational Number)都必然是无限循环小数。

根据上段讨论,我们还可推算出,任何整数除以整数n,最迟至小数点后第n位便必定会开始出现循环。例如在 22/7的运算中,其结果便在小数点后第7位开始出现循环。不过,n只是一个上限(即最差情况),并非所有除法结果都会出现此「最差」情况。例如1/3的结果在小数点后第2位便开始出现循环。

上述讨论虽然只局限于整数除法,但其实也适用于涉及小数的除法,因为涉及小数的除法可以转化为整数除法。以12.5/1.05为例,只要我们把分子分母同时乘大100倍,得1250/105,其结果跟原来的除法相同。
参考资料:http://home.pacific.net.hk/~kfzhou/Decimals.html
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2009-04-04
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我要分数啊
从小学低年班开始我们便学习分数和小数(这里指有限位小数),并且认识到两者之间可以互相转换。把分数转换成小数实际上就是做除法。我们在小学学习除法时,很早便发现做除法可能有两种结果,有些如10/4在小数点后若干位便「除得尽」,有些则如10/3是永远「除不尽」的。我们也认识到,某些分数即使除不尽,它们也可能表现为一个无限循环小数,例如10/3=3.333...(注1)。其实,如果我们把「除得尽」的分数也看成是无限循环小数(例如10/2=5.000...),那么我们可以把所有「规则」的分数都归为无限循环小数。接下来我们要问,是否存在「不规则」的分数,即是否存在不能表达为无限循环小数的分数呢?

在小学我们都学过圆周率π可以取22/7这个分数作为近似值。那么22/7是否无限循环小数呢?假如我们用普通的计算器算一下,发现22/7的近似结果是3.142857,似乎不循环。那么22/7是否就是一个「不规则」分数呢?答案是否定的。其实,如果我们有足够的耐性,把22/7继续算下去,我们便会发现这个分数从小数点后第7位便开始循环。这即是说,22/7实际是一个无限循环小数:

22 / 7 = 3.142857142857142857...
如果我们细心观察一下22/7的演算过程,我们便会明白为何这分数必然是循环的。在计算22/7的第一步骤中,我们先得商3和余数1。接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,得商1和余数3。接着我们把余数3倍大为30 ,然后计算30/7,得商4和余数2。接着我们又把余数2倍大为20,然后计算20/7......如此类推。因此,在计算 22/7时,我们实际上是在不断做10/7或20/7或30/7...。可是,由于任何数除以7所得的余数只有7种可能(即0、 1、2、3、4、5和6)(注2),这样下去必然会重复出现之前的计算。当出现重复时,接着下来的计算便会跟之前做过的计算一模一样,因而出现循环小数的情况。例如,在22/7的运算中,当计算至小数点后第6位时,得商7 和余数1,接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,但是此一计算在之前已做过,接下来的计算结果必然是 142857,因此22/7必然是不断重复出现142857这组数字的循环小数。

把上述讨论推广至一般情况,那么由于任何整数除以整数n,其余数只有n种可能(即0、1、2...、n - 1),因此在进行任何整数除法时,在运算至某一阶段时,必然会重复出现之前做过的运算,这时就必定重复出现之前的计算结果,即无限循环小数。换句话说,任何分数(在高等数学中称为「有理数」Rational Number)都必然是无限循环小数。

根据上段讨论,我们还可推算出,任何整数除以整数n,最迟至小数点后第n位便必定会开始出现循环。例如在 22/7的运算中,其结果便在小数点后第7位开始出现循环。不过,n只是一个上限(即最差情况),并非所有除法结果都会出现此「最差」情况。例如1/3的结果在小数点后第2位便开始出现循环。

上述讨论虽然只局限于整数除法,但其实也适用于涉及小数的除法,因为涉及小数的除法可以转化为整数除法。以12.5/1.05为例,只要我们把分子分母同时乘大100倍,得1250/105,其结果跟原来的除法相同。
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从小学低年班开始我们便学习分数和小数(这里指有限位小数),并且认识到两者之间可以互相转换。把分数转换成小数实际上就是做除法。我们在小学学习除法时,很早便发现做除法可能有两种结果,有些如10/4在小数点后若干位便「除得尽」,有些则如10/3是永远「除不尽」的。我们也认识到,某些分数即使除不尽,它们也可能表现为一个无限循环小数,例如10/3=3.333...(注1)。其实,如果我们把「除得尽」的分数也看成是无限循环小数(例如10/2=5.000...),那么我们可以把所有「规则」的分数都归为无限循环小数。接下来我们要问,是否存在「不规则」的分数,即是否存在不能表达为无限循环小数的分数呢?

在小学我们都学过圆周率π可以取22/7这个分数作为近似值。那么22/7是否无限循环小数呢?假如我们用普通的计算器算一下,发现22/7的近似结果是3.142857,似乎不循环。那么22/7是否就是一个「不规则」分数呢?答案是否定的。其实,如果我们有足够的耐性,把22/7继续算下去,我们便会发现这个分数从小数点后第7位便开始循环。这即是说,22/7实际是一个无限循环小数:

22 / 7 = 3.142857142857142857...
如果我们细心观察一下22/7的演算过程,我们便会明白为何这分数必然是循环的。在计算22/7的第一步骤中,我们先得商3和余数1。接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,得商1和余数3。接着我们把余数3倍大为30 ,然后计算30/7,得商4和余数2。接着我们又把余数2倍大为20,然后计算20/7......如此类推。因此,在计算 22/7时,我们实际上是在不断做10/7或20/7或30/7...。可是,由于任何数除以7所得的余数只有7种可能(即0、 1、2、3、4、5和6)(注2),这样下去必然会重复出现之前的计算。当出现重复时,接着下来的计算便会跟之前做过的计算一模一样,因而出现循环小数的情况。例如,在22/7的运算中,当计算至小数点后第6位时,得商7 和余数1,接着我们把余数1倍大为10,然后计算10/7,但是此一计算在之前已做过,接下来的计算结果必然是 142857,因此22/7必然是不断重复出现142857这组数字的循环小数。

把上述讨论推广至一般情况,那么由于任何整数除以整数n,其余数只有n种可能(即0、1、2...、n - 1),因此在进行任何整数除法时,在运算至某一阶段时,必然会重复出现之前做过的运算,这时就必定重复出现之前的计算结果,即无限循环小数。换句话说,任何分数(在高等数学中称为「有理数」Rational Number)都必然是无限循环小数。

根据上段讨论,我们还可推算出,任何整数除以整数n,最迟至小数点后第n位便必定会开始出现循环。例如在 22/7的运算中,其结果便在小数点后第7位开始出现循环。不过,n只是一个上限(即最差情况),并非所有除法结果都会出现此「最差」情况。例如1/3的结果在小数点后第2位便开始出现循环。

上述讨论虽然只局限于整数除法,但其实也适用于涉及小数的除法,因为涉及小数的除法可以转化为整数除法。以12.5/1.05为例,只要我们把分子分母同时乘大100倍,得1250/105,其结果跟原来的除法相同。

就是这样
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