Кіріспе

Екі берілген сан арасындағы барлық сандар, нақты сандар аралығы және кейбір жалпыламалар. Математикада (нақты) аралық – екі белгілі шектегі арасында үзіліс жоқ барлық нақты сандар жиыны. Әр шек нақты сан немесе оң немесе теріс шексіздік болуы мүмкін, бұл аралықтың шексіздікке дейін созылатынын көрсетеді. Аралықта екі шек те, бір шек те немесе еш шек те болмауы мүмкін. Мысалы, 0, 1 және олардың арасындағы барлық сандардан тұратын нақты сандар жиыны – аралық, [0, 1] деп белгіленеді және бірлік аралық деп аталады; барлық оң нақты сандар жиыны – аралық, (0, ∞); барлық нақты сандар жиыны – аралық, (−∞, ∞); және кез келген нақты сан a – аралық, [a, a] деп белгіленеді. Аралықтар математикалық талдауда кеңінен қолданылады. Мысалы, олар үздіксіздіктің ε-δ анықтамасында кездеседі; аралық мән теоремасы үздіксіз функцияның аралықтың бейнесі аралық болатынын көрсетеді; нақты функциялардың интегралдары аралық бойынша анықталады және т.б. Интервалдық арифметика – сандық есептеулердің нәтижесіне кепілді шеңбер беру үшін нақты сандардың орнына аралықтармен есептеуден тұрады, тіпті кіріс деректерінің белгісіздігі мен дөңгелектеу қателері болған жағдайда да. Аралықтар сондай-ақ бүтін сандар немесе рационалды сандар сияқты кез келген толық реттелген жиынтық бойынша анықталады. Бүтін сан аралықтарының жазылуы төмендегі арнайы бөлімде қарастырылады.

Анықтамалар мен терминология

Интервал — нақты сандардың жиынтығының ішкі жиыны, кез келген екі санының арасындағы барлық нақты сандарды қамтиды. Интервалдың шектес нүктелері — оның жоғарғы және төменгі шектері, егер олар нақты сандар болса. Егер инфимум болмаса, онда сәйкес келетін шектес нүкте деп айтылады. Сол сияқты, егер супремум болмаса, онда сәйкес келетін шектес нүкте деп айтылады. Интервалдар олардың шектес нүктелерімен және әрбір шектес нүкте интервалға жата ма, жоқ па, толық анықталады. Бұл нақты сандардың ең кіші жоғарғы шегінің қасиетінің салдары. Осы сипаттама интервалды анықтау үшін қолданылады, оның орташа мәні төменде сипатталған. Ашық интервалда ешқандай шектес нүкте болмайды және ол дөңгелек жақшалармен белгіленеді. Мысалы, 0-ден үлкен және 1-ден кіші барлық нақты сандар аралығы. (Бұл интервалды ]0, 1[ деп те белгілеуге болады, қараңыз төменде). Ашық интервал 0-ден үлкен нақты сандардан, яғни оң нақты сандардан тұрады. Ашық интервалдар, осылайша, түрдегі жиындардың бірі болып табылады, ал бірінші жағдайда алынған интервал бос жиынтық болып табылады, ол дегенеративті интервал (төменде қараңыз). Ашық интервалдар — нақты сандардағы стандартты топология үшін ашық жиындар болып табылатын интервалдар. Жабық интервал — барлық шектес нүктелерін қамтитын интервал және квадратты жақшалармен белгіленеді. Мысалы, 0-ден үлкен және 1-ге тең немесе кіші, ал 0-ге тең немесе үлкен және 1-ден кіші дегенді білдіреді. Жартылай ашық интервалдар келесі түрде болады. Кез келген жабық интервал — нақты түзудің жабық жиынтығы, бірақ жабық жиынтық болып табылатын интервал жабық интервал болуы міндетті емес. Мысалы, және интервалдары да нақты түзудегі жабық жиындар. және интервалдары ашық жиын да, жабық жиын да емес. Егер жабық жақтағы шектес нүктеге шексіздік рұқсат етілсе (мысалы, , нәтиже интервал болмайды, өйткені ол нақты сандардың ішкі жиынтығы емес. Оның орнына, нәтижені кеңейтілген нақты түзудегі интервал ретінде қарастыруға болады, мысалы, өлшемдер теориясында. Қорыта айтқанда, нақты сандар жиыны интервал болып табылады, егер ол ашық интервал, жабық интервал немесе жартылай ашық интервал болса ғана. Дегенеративті интервал — бір нақты сандан тұратын кез келген жиынтық (яғни, түрдегі интервал). Кейбір авторлар осы анықтамаға бос жиынтықты да қосады. Бос емес және дегенеративті емес нақты интервал дұрыс деп аталады және оның шексіз көп элементтері бар. Интервал сол жақтан немесе оң жақтан шектелген деп аталады, егер оның барлық элементтерінен кіші немесе үлкен нақты сан болса. Интервал, егер ол сол және оң жақтан шектелген болса, шектелген деп айтылады; және басқа жағдайда шектелмеген деп айтылады. Тек бір жағынан ғана шектелген интервалдар жартылай шектелген деп аталады. Бос жиын шектелген, ал барлық нақты сандар жиыны екі жағынан да шектелмеген жалғыз интервал болып табылады. Шектелген интервалдар сондай-ақ шекті интервалдар деп те аталады. Шектелген интервалдар шектелген жиындар болып табылады, яғни олардың диаметрі (шектес нүктелердің арасындағы абсолютті айырмашылыққа тең) шекті. Диаметрді интервалдың ұзындығы, ені, өлшемі, ауқымы немесе көлемі деп атауға болады. Шексіз интервалдардың көлемі әдетте +∞ ретінде анықталады, ал бос интервалдың көлемі 0 ретінде анықталуы мүмкін (немесе анықталмаған қалдырылады). А және b нүктелері бар шектелген интервалдың ортасы (орталық нүктесі) (a + b) / 2, ал оның радиусы — жарты ұзындығы. Бұл ұғымдар бос немесе шектелмеген интервалдар үшін анықталмаған. Интервал сол жақтан ашық деп аталады, егер ол ең кіші элементті (барлық басқа элементтерден кіші элементті) қамтымаса; оң жақтан ашық, егер ол ең үлкен элементті қамтымаса; және егер ол екеуін де қамтымаса, ашық. Мысалы, интервал сол жақта жабық және оң жақта ашық. Бос жиынтық және барлық нақты сандар жиыны ашық және жабық интервалдар болып табылады, ал теріс емес нақты сандар жиыны — жабық, бірақ ашық емес интервал. Ашық интервалдар — стандартты топологиядағы нақты түзудің ашық жиындары және ашық жиындардың негізін құрайды. Интервал сол жақтан жабық деп аталады, егер ол ең кіші элементке ие болса немесе сол жақтан шектелмеген болса, оң жақтан жабық, егер ол ең үлкен элементке ие болса немесе оң жақтан шектелмеген болса; ол жай ғана жабық, егер ол сол жақтан да, оң жақтан да жабық болса. Сонымен, жабық интервалдар сол топологиядағы жабық жиындармен сәйкес келеді. Интервалдың ішкі бөлігі — I-де қамтылған ең үлкен ашық интервал; сонымен қатар I-дегі I-нің шектес нүктелері емес нүктелер жиыны. I-нің жабылуы — I-ді қамтитын ең кіші жабық интервал; сонымен қатар I-ге оның шектес нүктелерін қосу. Нақты сандардың кез келген жиыны X үшін, X-тің интервалдық қаптамасы немесе интервалдық ауқымы — X-ті қамтитын және X-ті де қамтитын басқа интервалды қамтамайтын бірегей интервал. Интервал I, егер I, J интервалының ішкі жиыны болса, J интервалының ішкі интервалы болып табылады. Интервал I, егер I, J интервалының дұрыс ішкі жиыны болса, J интервалының дұрыс ішкі интервалы болып табылады. Дегенмен, сегмент және интервал терминдері үшін қарама-қайшы терминология бар, олар әдебиетте екі негізгі қарама-қарсы тәсілмен қолданылған, бұл осы терминдер қолданылғанда түсініксіздікке әкеледі. Математика энциклопедиясы интервалды (квалификаторсыз) екі шектес нүктені де қоспау үшін (яғни, ашық интервал) және сегментті екі шектес нүктені де қосу үшін (яғни, жабық интервал) анықтайды, ал Рудиннің Математикалық талдау принциптері [a, b] пішіндегі жиындарды интервалдар деп, (a, b) пішіндегі жиындарды сегменттер деп атайды. Бұл терминдер көбінесе ескі жұмыстарда кездеседі; қазіргі мәтіндер ашық, жабық немесе жартылай ашық деп белгіленген интервал терминін пайдалануға көбірек бейім, шектес нүктелер кіргеніне қарамастан.

Аралықтардың белгілері

a мен b арасындағы сандар жиыны, a және b сандарын қоса алғанда, көбінесе белгіленеді. Бұл екі сан аралықтың шектері деп аталады. Сандар ондық үтірмен жазылатын елдерде, екіұштылықты болдырмау үшін, бөліштерді көрсету үшін нүктелі үтір қолданылуы мүмкін.

Соңғы нүктелерді қоса алғанда немесе алып тастағанда

Соңғы нүктелердің бірі жиынтықтан шығарылатынын көрсету үшін тиісті квадрат жақшаларды дөңгелек жақшамен ауыстыруға немесе оларды кері қайтаруға болады. Екі жазу тәсілі де Халықаралық ISO 3111 стандартында сипатталған. Осылайша, жиын құрастыру белгісінде әр интервал , , және бос жиынтықты көрсетеді, ал бір элементті жиынтықты көрсетеді. Егер a > b болса, барлық төрт жазу тәсілі де бос жиынтықты білдіреді. Екі жазу тәсілі де математикадағы дөңгелек жақшалар мен квадрат жақшалардың басқа қолданылуларымен беттесе алады. Мысалы, (a, b) жазу тәсілі жиын теориясында реттелген жұпты, аналитикалық геометрия және сызықтық алгебрада нүктенің немесе вектордың координаталарын, ал алгебрада (кейде) кешенді санды көрсету үшін жиі қолданылады. Сондықтан Бурбаки ашық аралықты белгілеу үшін ]a, b[ жазу тәсілін енгізді. [a, b] жазу тәсілі де кейде реттелген жұптар үшін, әсіресе компьютер ғылымында қолданылады. Ив Тиле сияқты кейбір авторлар ]a, b[ аралықтың толықтыруын көрсету үшін қолданады; яғни, a-дан кіші немесе тең, немесе b-ден үлкен немесе тең нақты сандардың жиынтығын.

Шексіз соңғы нүктелер

Кейбір жағдайларда интервал кеңейтілген нақты сандардың ішкі жиыны ретінде анықталуы мүмкін, яғни барлық нақты сандар жиынына −∞ және +∞ қосылған жиын. Осы түсіндірмеде , , және жазуларының барлығы мағыналы және өзгеше. Атап айтқанда, жалпы нақты сандар жиынын, ал кеңейтілген нақты сандар жиынын білдіреді. Тіпті жалпы нақты сандар контекстінде де, сол бағытта шек болмайтынын көрсету үшін шексіз нүкте қолданылуы мүмкін. Мысалы, оң нақты сандар жиыны, оны деп те жазуға болады. Контекст жоғарыдағы анықтамалар мен терминологияның кейбіреулеріне әсер етеді. Мысалы, = интервалы жалпы нақты сандар саласында жабық, бірақ кеңейтілген нақты сандар саласында жабық емес.

Бүкіл сан аралықтары

a және b бүтін сандар болғанда, кейде a мен b арасындағы барлық бүтін сандардың аралығын көрсету үшін ⟦a, b⟧, немесе немесе жай ғана a b белгісі қолданылады. Бұл белгілеу кейбір бағдарламалау тілдерінде қолданылады; мысалы, Паскальде, ол субдиапазон түрін ресми түрде анықтау үшін қолданылады, көбінесе массивтің жарамды индекстерінің ең төменгі және ең жоғарғы шектерін көрсету үшін пайдаланылады. Бүтін сан аралықтарын түсіндірудің тағы бір жолы – эллипс белгісін қолдана отырып, тізімдеу арқылы анықталатын жиынтықтар. Төменгі немесе жоғарғы шегі бар бүтін сан аралығы әрқашан сол шекті қамтиды. Сондықтан, шектерді жобау a b − 1, a + 1 b, немесе a + 1 b − 1 деп жазу арқылы нақты көрсетілуі мүмкін. [a b] сияқты балама жақша белгілері бүтін сан аралықтары үшін көбінесе қолданылмайды.

Топтар

Ашық шекті аралық – ортасы және радиусы болатын 1 өлшемді ашық шар. Жабық шекті аралық – сәйкес жабық шар, ал аралықтың екі ұшы 0 өлшемді сфераны құрайды. Еуропалық кеңістікке жалпылағанда, шар – ортасынан қашықтығы радиусынан кем нүктелер жиынтығы. Екі өлшемді жағдайда шар диск деп аталады. Егер жарты кеңістік бір түріндегі дегенеративті шар (жақсы анықталған ортасы немесе радиусы жоқ) ретінде қарастырылса, жарты кеңістікті жартылай шектелген аралыққа ұқсас қарастыруға болады, оның шекаралық жазықтығы шекті нүктеге сәйкес келетін (дегенеративті) сфера болып табылады.

Көп өлшемді аралықтар

Шекті аралық — 1 өлшемді гипертөртбұрыштың ішкі бөлігі. Нақты координаттық кеңістікке обобщаланған, осьтерге параллель гипертөртбұрыш (немесе қорап) — шекті аралықтардың Декарт көбейтіндісі. Бұл жағдайда ол тіктөртбұрыш, ал — тіктөртбұрышты параллелепипед (оны "қорап" деп те атайды). Ашық, жабық және шексіз шектерінің кез келген комбинациясына рұқсат етілген кез келген аралықтардың Декарт көбейтіндісі кейде өлшемдік аралық деп аталады. Мұндай аралықтың жақтары — кез келген дегенерацияланбаған аралық факторын, оның шекті нүктесінен тұратын дегенерацияланған аралыққа алмастыру нәтижесі болып табылады. Оның беттері — өзі және оның барлық жақтарының беттерінен тұрады. Оның бұрыштары — бір нүктеден тұратын беттер.

Қиыршық политоптар

Кез келген шекті аралық жартылай шектелген аралықтардың қиылысы ретінде құрастырылуы мүмкін (бос қиылысы бүкіл нақты түзуді білдіреді), ал жартылай шектелген аралықтардың кез келген санының қиылысы (бос болуы мүмкін) аралық болып табылады. Көпөлшемді аффиндік кеңістікке жалпыланғанда, жарты кеңістіктердің қиылысы (кез келген бағытта) дөңес политоптың (ішкі) бөлігін, ал 2 өлшемді жағдайда дөңес көпбұрышты құрайды.

Домендер

Ашық аралық — нақты сандардың байланысты ашық жиыны. Топологиялық кеңістіктерге жалпыланғанда, бос емес байланысты ашық жиын домен деп аталады.

Күрделі аралықтар

Күрделі сандардың аралықтары күрделі жазықтықтағы тіктөртбұрышты немесе дөңгелек пішіндес аймақтар ретінде анықталуы мүмкін.