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.
intervals of real numbers and some generalizations
In mathematics, a (real) interval is the set of all real numbers lying between two fixed endpoints with no "gaps". Each endpoint is either a real number or positive or negative infinity, indicating the interval extends without a bound. An interval can contain neither endpoint, either endpoint, or both endpoints. For example, the set of real numbers consisting of 0, 1, and all numbers in between is an interval, denoted [0, 1] and called the unit interval; the set of all positive real numbers is an interval, denoted (0, ∞); the set of all real numbers is an interval, denoted (−∞, ∞); and any single real number a is an interval, denoted [a, a]. Intervals are ubiquitous in mathematical analysis. For example, they occur implicitly in the epsilon delta definition of continuity; the intermediate value theorem asserts that the image of an interval by a continuous function is an interval; integrals of real functions are defined over an interval; etc. Interval arithmetic consists of computing with intervals instead of real numbers for providing a guaranteed enclosure of the result of a numerical computation, even in the presence of uncertainties of input data and rounding errors. Intervals are likewise defined on an arbitrary totally ordered set, such as integers or rational numbers. The notation of integer intervals is considered in the special section below.
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.
Intervals are completely determined by their endpoints and whether each endpoint belong to the interval. This is a consequence of the least upper bound property of the real numbers. This characterization is used to specify intervals by mean of , which is described below. An open interval does not include any endpoint, and is indicated with parentheses. For example, is the interval of all real numbers greater than 0 and less than 1. (This interval can also be denoted by ]0, 1[, see below). The open interval consists of real numbers greater than 0, i. e., positive real numbers. The open intervals are thus one of the forms
where and are real numbers such that When in the first case, the resulting interval is the empty set which is a degenerate interval (see below). The open intervals are those intervals that are open sets for the usual topology on the real numbers. A closed interval is an interval that includes all its endpoints and is denoted with square brackets. For example, means greater than 0 and less than or equal to 1, while means greater than or equal to 0 and less than 1. The half open intervals have the form
Every closed interval is a closed set of the real line, but an interval that is a closed set need not be a closed interval. For example, intervals and are also closed sets in the real line. Intervals and are neither an open set nor a closed set. If one allows an endpoint in the closed side to be an infinity (such as , the result will not be an interval, since it is not even a subset of the real numbers. Instead, the result can be seen as an interval in the extended real line, which occurs in measure theory, for example. In summary, a set of the real numbers is an interval, if and only if it is an open interval, a closed interval, or a half open interval. A degenerate interval is any set consisting of a single real number (i. e., an interval of the form ). Some authors include the empty set in this definition. A real interval that is neither empty nor degenerate is said to be proper, and has infinitely many elements. An interval is said to be left bounded or right bounded, if there is some real number that is, respectively, smaller than or larger than all its elements. An interval is said to be bounded, if it is both left and right bounded; and is said to be unbounded otherwise. Intervals that are bounded at only one end are said to be half bounded. The empty set is bounded, and the set of all reals is the only interval that is unbounded at both ends. Bounded intervals are also commonly known as finite intervals. Bounded intervals are bounded sets, in the sense that their diameter (which is equal to the absolute difference between the endpoints) is finite. The diameter may be called the length, width, measure, range, or size of the interval. The size of unbounded intervals is usually defined as +∞, and the size of the empty interval may be defined as 0 (or left undefined). The centre (midpoint) of a bounded interval with endpoints a and b is (a + b)/2, and its radius is the half length These concepts are undefined for empty or unbounded intervals. An interval is said to be left open if and only if it contains no minimum (an element that is smaller than all other elements); right open if it contains no maximum; and open if it contains neither. The interval , for example, is left closed and right open. The empty set and the set of all reals are both open and closed intervals, while the set of non negative reals, is a closed interval that is right open but not left open. The open intervals are open sets of the real line in its standard topology, and form a base of the open sets. An interval is said to be left closed if it has a minimum element or is left unbounded, right closed if it has a maximum or is right unbounded; it is simply closed if it is both left closed and right closed. So, the closed intervals coincide with the closed sets in that topology. The interior of an interval I is the largest open interval that is contained in I; it is also the set of points in I which are not endpoints of I. The closure of I is the smallest closed interval that contains I; which is also the set I augmented with its finite endpoints. For any set X of real numbers, the interval enclosure or interval span of X is the unique interval that contains X, and does not properly contain any other interval that also contains X. An interval I is a subinterval of interval J if I is a subset of J. An interval I is a proper subinterval of J if I is a proper subset of J. However, there is conflicting terminology for the terms segment and interval, which have been employed in the literature in two essentially opposite ways, resulting in ambiguity when these terms are used. The Encyclopedia of Mathematics defines interval (without a qualifier) to exclude both endpoints (i. e., open interval) and segment to include both endpoints (i. e., closed interval), while Rudin's Principles of Mathematical Analysis calls sets of the form [a, b] intervals and sets of the form (a, b) segments throughout. These terms tend to appear in older works; modern texts increasingly favor the term interval (qualified by open, closed, or half open), regardless of whether endpoints are included.
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.
Each interval , , and represents the empty set, whereas denotes the singleton set When a > b, all four notations are usually taken to represent the empty set. Both notations may overlap with other uses of parentheses and brackets in mathematics. For instance, the notation (a, b) is often used to denote an ordered pair in set theory, the coordinates of a point or vector in analytic geometry and linear algebra, or (sometimes) a complex number in algebra. That is why Bourbaki introduced the notation ]a, b[ to denote the open interval. The notation [a, b] too is occasionally used for ordered pairs, especially in computer science. Some authors such as Yves Tillé use ]a, b[ to denote the complement of the interval ; namely, the set of all real numbers that are either less than or equal to a, or greater than or equal to b.
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.