Кіріспе

Бір түрлі екі санның арақатынасы

Математикада арақатынас ('/r//eɪ//ʃ//(//i//)//oʊ/) бір санның екінші санды қанша рет қамтитынын көрсетеді. Мысалы, егер жеміс салат құрамында сегіз апельсин және алты лимон болса, апельсин мен лимонның арақатынасы сегіз бен алтыға тең (яғни 8:6, бұл 4:3 арақатынасына баламалы). Сол сияқты, лимон мен апельсиннің арақатынасы 6:8 (немесе 3:4) және апельсиннің жемістің жалпы санына қатынасы 8:14 (немесе 4:7) болады. Арақатынастағы сандар кез келген шамада болуы мүмкін, мысалы, адамдардың немесе заттардың саны, сондай-ақ ұзындық, салмақ, уақыт сияқты өлшемдер. Көп жағдайда екі сан да оң сан болып келеді. Арақатынас екі құраушы санды көрсету арқылы, "a-ға b" немесе "a:b" түрінде жазылуы мүмкін, немесе олардың бөліндісінің мәні арқылы белгіленуі мүмкін. Тең бөлінділер тең арақатынастарға сәйкес келеді. Екі арақатынастың теңдігін білдіретін мәлімдеме пропорция деп аталады. Осыған сәйкес, арақатынасты сандардың реттелген жұбы, бірінші санның алымында және екінші санның бөлімінде болатын бөлшек немесе осы бөлшектің мәні ретінде қарастыруға болады. Сандармен берілген (нөлдік емес) натурал сандардың арақатынастары рационал сандар болып табылады және кейде натурал сандар да болуы мүмкін. Физикалық ғылымдарда (әсіресе метрологияда) қабылданған нақтырақ анықтама – бұл бір өлшем бірлігімен өлшенген екі физикалық шама арасындағы өлшемсіз бөлінді. Әр түрлі өлшем бірліктерімен өлшенген екі шаманың бөліндісі мөлшер деп аталады.

Тарих және этимология

"Рацио" сөзінің шығу тегі көне грек тіліндегі λόγος (logos) сөзімен байланысты болуы мүмкін. Алғашқы аудармашылар бұл сөзді латын тілінде [[wikt:ratio#Latin ("ақыл"; "рационалды" сөзі сияқты) деп аударған. Евклидтің мағынасының қазіргі заманғы түсінігі есептеу немесе санауға жақын. Орта ғасыр авторлары қатынасты көрсету үшін пропорцио ("пропорция") сөзін, ал қатынастардың теңдігін көрсету үшін пропорционалитет ("пропорционалдылық") сөзін қолданған. Евклид "Элементтер" кітабындағы нәтижелерді ертерек көздерден жинақтаған. Пифагоршылар сандарға қатысты қатынас және пропорция теориясын дамытқан. Пифагоршылардың сан туралы ұғымына бүгінде рационалды сандар деп аталатын нәрселер ғана кірген, бұл геометриядағы теорияның дұрыстығына күмән келтірді, себебі Пифагоршылар сондай-ақ салыстырылмастан қатынастардың (рационалды емес сандарға сәйкес) бар екенін анықтаған. Теңестіруді қажет етпейтін қатынастар теориясын ашқан адам Книдтік Евдокс болған деп саналады. "Элементтер" кітабының VII бөлімінде баяндалған пропорциялар теориясы салыстырылатын шамалардың бұрынғы қатынастар теориясын көрсетеді. Көптеген теориялардың болуы артық күрделі болып көрінеді, өйткені қатынастар көбінесе бөлімдермен және олардың мүмкін болатын мәндерімен сәйкес келеді. Дегенмен, бұл салыстырмалы түрде жаңа құбылыс, өйткені қазіргі геометрия оқулықтарында қатынастар мен бөлімдер үшін әлі де ерекше терминология мен белгілер қолданылады. Мұның себептері екі еселі: біріншісі, рационалды емес сандарды нағыз сандар ретінде қабылдауға бұрынғы қарсылық болды, екіншісі, қатынастардың қалыптасқан терминологиясын алмастыруға кеңінен қолданылатын символизмнің болмауы 16 ғасырға дейін бөлшектердің балама ретінде толық қабылдануын кешіктірді.

Евклидтің анықтамасы

Евклидтің "Элементтер" кітабының V кітабында 18 анықтама бар, олардың барлығы қатынастарға қатысты. Сонымен қатар, Евклид осы кезде кеңінен қолданылған идеяларды пайдаланған, сондықтан оларға жеке анықтама бермеген. Алғашқы екі анықтамада бір шаманың бөлігі – оны "өлшейтін" басқа шама, ал шаманың еселігі – оны өлшейтін шама деп көрсетілген. Қазіргі терминологияда, шаманың еселігі – ол шаманы бірден үлкен бүтін санға көбейту нәтижесінде алынған сан, ал шаманың бөлігі (аликот бөлігі) – бірден үлкен бүтін санға көбейтілгенде бастапқы шаманы беретін бөлік. Евклид мұнда қолданылған "өлшеу" терминін анықтамайды, бірақ егер бір шама өлшеу бірлігі ретінде алынса, ал екінші шама осы бірліктердің толық саны түрінде берілсе, онда бірінші шама екіншісін өлшейді деген қорытынды жасауға болады. Бұл анықтамалар VII кітапта 3 және 5-ші анықтамалар ретінде дерлік сөзсіз қайталанады. 3-ші анықтамада қатынас жалпы түрде сипатталады. Бұл математикалық тұрғыдан қатаң емес, сондықтан кейбіреулер оны Евклидтің өзі емес, оның редакторлары жазғанын айтады. Евклид қатынасты бір типтегі екі шаманың арасындағы байланыс ретінде анықтайды, сондықтан бұл анықтама бойынша екі ұзындықтың немесе екі ауданың қатынасын анықтауға болады, бірақ ұзындық пен ауданның қатынасын анықтауға болмайды. 4-ші анықтама бұл мәселені қатаңдатады. Онда егер әр шаманың еселігі екінші шамадан үлкен болса, онда екі шаманың арақатынасы бар екендігі айтылады. Қазіргі нотацияда, егер m және n бүтін сандары болса, p және q шамалары арасында қатынас бар, яғни mp>q және nq>p. Бұл шарт Архимед қасиеті деп аталады. 5-ші анықтама ең күрделі және қиын. Ол екі қатынастың теңдігін анықтайды. Бүгінгі күні бұл қатынастардың теңдігі терминдердің қатынастарын теңестіру арқылы анықталады, бірақ мұндай анықтама Евклид үшін түсініксіз болар еді. Қазіргі нотацияда Евклидтің теңдік анықтамасы мынадай: берілген p, q, r және s шамалары үшін p:q∷r:s тек қана егер, кез келген оң бүтін сандар m және n үшін np<mq, np=mq немесе np>mq сәйкес nr<ms, nr=ms немесе nr>ms болса. Бұл анықтама Дедекинд кесулерімен байланысты, өйткені n және q екеуі де оң болса, np рационалдық санға сәйкес mq болып табылады (екі шаманы да nq-ға бөлу арқылы). 6-шы анықтамада бірдей қатынасқа ие шамалар пропорционалды немесе пропорцияда екендігі айтылады. Евклид грек тіліндегі ἀναλόγον (аналог) сөзін қолданады, бұл сөздің тамыры λόγος сөзімен байланысты және ағылшын тіліндегі "аналог" сөзімен туыс. 7-ші анықтамада бір қатынастың екіншісінен үлкен немесе кішкентай болуы анықталады және бұл 5-ші анықтамадағы идеяларға негізделген. Қазіргі нотацияда, берілген p, q, r және s шамалары үшін p:q>r:s егер m және n оң бүтін сандары болса, онда np>mq және nr≤ms. 3-ші анықтамадағыдай, 8-ші анықтаманы кейбіреулер Евклидтің редакторларының кейінірек қосымшасы деп санайды. Онда үш шама p, q және r пропорционалды болуы үшін p:q∷q:r деп анықталады. Бұл төрт шамаға дейін кеңейтіледі: p, q, r және s, яғни p:q∷q:r∷r:s және т.б. Бірінен соң бірі келетін шамалардың қатынастары тең болатын тізбек геометриялық прогрессия деп аталады. 9-шы және 10-шы анықтамалар осыны қолданады: егер p, q және r пропорционалды болса, онда p:r – p:q қатынасының квадраты, ал егер p, q, r және s пропорционалды болса, онда p:s – p:q қатынасының кубы.

Терминдер саны және бөлшектердің қолданылуы

Жалпы, екі шаманың қатынасы сандарының салыстыруын қатынастан алынған бөлшек түрінде көрсетуге болады. Мысалы, 2:3 қатынасында бірінші шаманың мөлшері, көлемі немесе саны екінші шаманың санына тең. Егер 2 апельсин мен 3 алма болса, апельсин мен алманың арақатынасы 2:3, ал апельсин мен жемістің жалпы санының арақатынасы 2:5 болады. Бұл қатынастарды бөлшек түрінде де көрсетуге болады: апельсиндер алмалардың 2/3-ін құрайды, ал жемістің 2/5 бөлігі апельсин. Егер апельсин шырыны концентратын сумен 1:4 қатынасында сұйыту керек болса, онда концентраттың бір бөлігі судың төрт бөлігімен араластырылады, яғни барлығы бес бөлік; апельсин шырыны концентратының мөлшері судың 1/4 бөлігіне тең, ал апельсин шырыны концентратының мөлшері жалпы сұйықтықтың 1/5 бөлігін құрайды. Қатынастар мен бөлшектерде нені немен салыстырып жатқанын түсіну маңызды, сондықтан жаңадан бастаушылар жиі қателіктер жасайды. Бөлшектерді екіден астам шамасы бар қатынастардан да шығаруға болады; алайда екіден астам шамасы бар қатынасты бір ғана бөлшекке толық аударуға болмайды, өйткені бөлшек тек екі шаманы ғана салыстыра алады. Кез келген екі шаманың мөлшерін салыстыру үшін бөлек бөлшекті қолдануға болады: мысалы, 2:3:7 қатынасынан екінші шаманың мөлшері үшінші шаманың мөлшеріне тең екенін тұжырымдауға болады.

Үлес және пайыздық қатынастар

Егер қатынасқа қатысты барлық шамаларды бірдей санға көбейтсек, қатынас өзгермейді. Мысалы, 3:2 қатынасы 12:8 қатынасына тең. Әдетте, мүшелерді ең кішкентай ортақ бөлімге дейін қысқартуға немесе оларды жүзден бір бөлігі ретінде (пайызбен) көрсетуге болады. Егер қоспада А, В, С және D заттары 5:9:4:2 қатынасында болса, онда В-ның әр 9 бөлігіне А-ның 5 бөлігі, С-ның 4 бөлігі және D-ның 2 бөлігі сәйкес келеді. 5+9+4+2=20 болғандықтан, қоспаның құрамында А-ның 5/20 (20-дан 5 бөлік), В-ның 9/20, С-ның 4/20 және D-ның 2/20 бөлігі бар. Егер барлық сандарды жалпы сомаға бөліп, 100-ге көбейтсек, оларды пайыздық шамаға айналдырған боламыз: 25% А, 45% В, 20% С және 10% D (бұл қатынасты 25:45:20:10 деп жазумен бірдей). Егер екі немесе одан көп қатынас шамалары белгілі бір жағдайдағы барлық шамаларды қамтитын болса, онда "жалпы" соманың бөліктерінен тұрады делінеді. Мысалы, екі алма мен үш апельсиннен және басқа жеміс жоқ жеміс себеті екі бөлік алмадан және үш бөлік апельсиннен тұрады. Бұл жағдайда, немесе 40% жалпы сома алмадан, немесе 60% жалпы сома апельсиннен тұрады. Нақты шаманы "жалпы" сомамен салыстыру пропорция деп аталады. Егер қатынас тек екі мәннен тұрса, оны бөлшек түрінде, әсіресе ондық бөлшек түрінде көрсетуге болады. Мысалы, ескі теледидарлардың экран қатынасы 4:3 болып келеді, яғни ені биіктіктің 4/3-іне тең (мұны 1,33:1 немесе екі ондық таңбаға дейін дөңгелетілген 1,33 түрінде де көрсетуге болады). Жаңа кең экранды теледидарлардың экран қатынасы 16:9 немесе екі ондық таңбаға дейін дөңгелетілген 1,78-ге тең. Киноның кең экранды форматтарының бірі 2,35:1 немесе жай ғана 2,35 болып табылады. Қатынастарды ондық бөлшектер түрінде көрсету оларды салыстыруды жеңілдетеді. 1,33, 1,78 және 2,35 сандарын салыстырғанда, қай форматтың кеңірек бейне беретіні анық көрінеді. Мұндай салыстыру тек салыстырылатын мәндер бірдей болғанда ғана жұмыс істейді, мысалы, енді әрқашан биіктікке қатысты көрсету керек.

Кішірейту

Қатынастарды (бөлшектер сияқты) барлық шамалардың ортақ көбейткіштеріне бөлу арқылы қысқартуға болады. Бөлшектердегідей, қатынастағы сандар ең кіші мүмкін бүтін сандар болған түрі ең қарапайым түрі болып саналады. Мысалы, 40:60 қатынасы 2:3 қатынасына эквивалентті, екіншісі біріншісінен екі шаманы да 20-ға бөлу арқылы алынған. Математикалық жазылуы: 40:60 = 2:3, немесе балама түрі 40:60 ∷ 2:3. Сөзбен айтқанда: "40 саны 60 санына қатынасты болғандай, 2 саны 3 санына қатынасты". Егер қатынастың екі шамасы да бүтін сан болса және оны бүтін сандарды қолдана отырып одан әрі қысқарту мүмкін болмаса, онда ол қатынас ең қарапайым түрінде немесе ең төменгі шартта делінеді. Кейде әртүрлі қатынастарды салыстыру үшін қатынасты 1:x немесе x:1 түрінде жазу ыңғайлы, мұнда x міндетті түрде бүтін сан емес. Мысалы, 4:5 қатынасын 1:1.25 деп жазуға болады (екі жағын да 4-ке бөлу). Балама ретінде, оны 0.8:1 деп жазуға болады (екі жағын да 5-ке бөлу). Контекст мағынаны анықтайтын жағдайда, мұндай қатынас кейде 1 және қатынас белгісінсіз (: ) жазылуы мүмкін, бірақ математикалық тұрғыдан алғанда, бұл оны көбейткіш немесе коэффициент етеді.

Мүмкіндіктер

Бәс тігудегі (қомар ойындардағыдай) ұқсастықтар қатынас түрінде беріледі. Мысалы, "7-ге 3 қарсы" (7:3) деген ұқсастық, оқиғаның орын алмауының жеті мүмкіндігіне үш мүмкіндік орын алуын білдіреді. Сәттілікке жету ықтималдығы 30% құрайды. Әр он рет сынағанда үш жеңіс және жеті жеңіліс күтіледі.

Бірліктер

Қатынастар бірліксіз болуы мүмкін, егер олар әртүрлі өлшем бірліктерімен берілген шамаларды, тіпті бастапқыда өлшем бірліктері әртүрлі болса да, бірдей өлшеммен байланыстырса. Мысалы, бір минут : 40 секунд қатынасын бірінші шаманы 60 секундқа ауыстыру арқылы қысқартуға болады, сонда қатынас 60 секунд : 40 секунд болады. Бірліктер теңелгеннен кейін оларды жоюға болады және қатынасты 3:2-ге дейін азайтуға болады. Дегенмен, өлшемсіз емес бөлінділер де бар, олар мөлшерлеме деп аталады (кейде қатынастар деп те аталады). Химияда массалық концентрация қатынастары көбінесе салмақ/көлем үлестері түрінде беріледі. Мысалы, 3% w/v концентрациясы әр 100 мл ерітіндіде 3 грамм зат бар екенін білдіреді. Бұл салмақ/салмақ немесе көлем/көлем үлестері сияқты өлшемсіз қатынасқа түрлендірілмейді.

Үшбұрышты координаттар

А, В және С төбелері бар үшбұрыштың және AB, BC және CA қабырғаларына қатысты нүктелердің орналасуы көбінесе үшбұрыштық координаталар түрінде кеңейтілген қатынас ретінде беріледі. Барицентрлік координаталарда α, β, γ координаталары бар нүкте – үшбұрыштың пішіні мен мөлшеріне сәйкес салмағы жоқ металл жапырақ, егер төбелеріне салмақтар қойылса, дәл тепе-теңдікте болады, мұнда А және В төбелеріндегі салмақтардың қатынасы α:β, В және С төбелеріндегі салмақтардың қатынасы β:γ, демек А және С төбелеріндегі салмақтардың қатынасы α:γ болады. Трилинейлік координаталарда x:y:z координаталары бар нүкте BC қабырғасына (А төбесінен) және CA қабырғасына (В төбесінен) x:y қатынасында, CA қабырғасына және AB қабырғасына (С арқылы) y:z қатынасында, демек BC және AB қабырғаларына x:z қатынасында перпендикуляр қашықтықтарға ие. Барлық ақпарат қатынастар түрінде берілгендіктен (α, β, γ, x, y және z арқылы белгіленген жеке сандардың өзінің жеке мағынасы жоқ), үшбұрыштың мөлшеріне қарамастан, үшбұрышты талдау барицентрлік немесе трилинейлік координаталарды қолданады.