Кіріспе

Нақты сандар құрайтын сызық – математикалық ұғым. Бастауыш математикада сан сызығы – нақты сандарды бейнелеуге қызмет ететін градуировкаланған түзу сызықтың суреті. Сан сызығының әрбір нүктесі нақты санға, ал әрбір нақты сан нүктеге сәйкес келеді деп есептеледі. Бүтіл сандар көбінесе сызықта тең аралықта орналастырылған, арнайы белгіленген нүктелер ретінде көрсетіледі. Суретте тек –3-тен 3-ке дейінгі бүтіл сандар көрсетілсе де, сызық екі бағытта да шексізке дейін созылады және бүтіл сандардың арасындағы барлық нақты сандарды қамтиды. Ол көбінесе қарапайым қосу және алуды, әсіресе теріс сандарды оқытуға көмектесетін құрал ретінде қолданылады. Жоғары математикада сан сызығын нақты сызық немесе нақты сандар сызығы деп атауға болады, ол ресми түрде барлық нақты сандардың 'R' жиыны ретінде анықталады. Ол геометриялық кеңістік ретінде қарастырылады, атап айтқанда, бірінші өлшемнің нақты координаталық кеңістігі немесе бірінші өлшемнің Евклид кеңістігі – Евклидтік сызық. Оны векторлық кеңістік (немесе аффиндік кеңістік), метрикалық кеңістік, топологиялық кеңістік, өлшем кеңістік немесе сызықтық континуум ретінде де қарастыруға болады. Нақты сандар жиыны сияқты, нақты сызық әдетте 'R' символымен (немесе, тақтайшадағы «R» әрпімен) белгіленеді. Дегенмен, кейде оның бірінші нақты кеңістік немесе бірінші Евклид кеңістігі ретіндегі рөлін көрсету үшін оны 'R'^(1) немесе 'E'^(1) деп таңбалайды.

Тарих

Операция мақсаттарында қолданылатын сан сызығының алғашқы айғағы Джон Уоллистің "Алгебра туралы трактатында" табылады. Валлис өзінің трактатында сандар сызығында қосу және алуды алға және артқа қозғалу арқылы, адамның жүріп бара жатқан метафорасымен сипаттайды. Бірақ, операциялар туралы еске салмайтын, одан бұрынғы бейнелеу Джон Нейпиердің "Логарифмдердің тамаша кестесі туралы сипаттамасында" кездеседі, онда 1-ден 12-ге дейінгі шамалар солдан оңға қарай тізілген. Көпшілік пікірге қарамастан, Рене Декарттың түпнұсқа "Геометрия" еңбегінде координаттар жүйесі болғанымен, бүгінгі күні қолданылатын сан сызығы жоқ. Декарттың жұмысында сызықтарға бейнеленген нақты сандар емес, тек абстрактілі шамалар бар.

Сандар сызығын салу

Сан сызығы көбінесе көлденең түрінде бейнеленеді, бірақ Декарт координаталық жазықтығында тік ось (y ось) де сан сызығы болып табылады. Бір келісім бойынша, оң сандар әрқашан нөлдің оң жағында, ал теріс сандар әрқашан нөлдің сол жағында орналасады. Сызықтың екі басындағы жебелер сызықтың оң және теріс бағыттарда шексізге дейін созылатынын көрсетеді. Тағы бір келісімде сандардың өсу бағытын көрсететін бір ғана жебе қолданылады. Сызық геометрия ережелеріне сәйкес оң және теріс бағыттарда шексіз созылады, онда ұшы жоқ сызық – шексіз сызық, бір ұшы бар сызық – сәуле, ал екі ұшы бар сызық – сызық сегменті деп анықталады.

Саналарды салыстыру

Егер белгілі бір сан сан сызығында басқа саннан оңға қарай орналасқан болса, онда бірінші сан екіншісінен үлкен болады (екіншісі біріншісінен кіші дегенмен тең). Олардың арасындағы қашықтық – олардың айырмасының абсолюттік шамасы, яғни бірінші санды екіншісінен азайту, немесе екінші санды біріншісінен азайтудың абсолюттік мәні. Осы айырманы табу – шегеру процесі. Мысалы, 0 мен басқа сан арасындағы сызық сегментінің ұзындығы соңғы санның шамасын көрсетеді. Екі санды 0-ден бір санға дейінгі ұзындықты "көтеріп алып", 0-ге тең ұшын екінші санға қойып, қайтадан төменге түсіру арқылы қосуға болады. Екі санды осы мысалдағыдай көбейтуге болады: 5 × 3 көбейтуі 5 + 5 + 5-ке тең екенін ескеріңіз, сондықтан 0-ден 5-ке дейінгі ұзындықты алып, оны 5-тің оң жағына қойыңыз, содан кейін сол ұзындықты қайтадан алып, алдыңғы нәтижеге қосыңыз. Бұл 3 есе 5 ұзындығына тең нәтиже береді; процесс 15-те аяқталады, сондықтан 5 × 3 = 15. Бөлуді келесі мысалдағыдай орындауға болады: 6-ны 2-ге бөлу, яғни 2, 6-ға неше рет сыятынын анықтау үшін 0-ден 2-ге дейінгі ұзындық 0-ден 6-ға дейінгі ұзындықтың басында екенін ескеріңіз; бұрынғы ұзындықты алып, оны бастапқы орнының оң жағына қойыңыз, содан кейін ұзындықты соңғы орнының оң жағына жылжытыңыз. Бұл 2-нің оң шетін 0-ден 6-ға дейінгі ұзындықтың оң шетімен сәйкестіреді. 2 ұзындығы 6 ұзындығын толтырғандықтан, 2, 6-ға үш рет сыяды (яғни 6 ÷ 2 = 3).

Сандар сызығының бөліктері

Екі санның арасындағы сан сызығының бөлігі аралық деп аталады. Егер бөлік екі санды да қамтитын болса, ол жабық аралық деп аталады, ал егер ол екі санды да қамтымаса, ол ашық аралық деп аталады. Егер ол сандардың біреуін ғана қамтитын болса, екіншісін қамтымаса, ол жартылай ашық аралық деп аталады. Белгілі бір нүктеден бір бағытта шексізге дейін созылатын барлық нүктелер жиынтығы сәуле деп аталады. Егер сәуле берілген нүктеден басталатын болса, ол жабық сәуле; әйтпесе ол ашық сәуле.

Логарифмдік шкала

Сандар сызығында екі нүкте арасындағы қашықтық бірлікке тең болуы үшін, көрсетілген сандардың айырмасы 1-ге тең болуы керек. Басқа да мүмкіндіктер бар. Ең көп қолданылатыны – логарифмдік шкала. Бұл оң сандарды түзуде бейнелеудің бір тәсілі, онда екі нүкте арасындағы қашықтық бірлікке тең болса, көрсетілген сандардың қатынасы белгілі бір тұрақты мәнге ие болады, әдетте 10. Мұндай логарифмдік шкалада нөлдік нүкте 1-ді көрсетеді; оңға бір дюйм жылғанда 10, одан оңға бір дюйм жылғанда 10 × 10 = 100, содан кейін 10 × 100 = 1000 = 10³, содан кейін 10 × 1000 = 10 000 = 10⁴ және т.б. Сол сияқты, 1-ден солға бір дюйм жылғанда 1/10 = 10⁻¹, одан әрі солға бір дюйм жылғанда 1/100 = 10⁻² және т.б. Бұл тәсіл бір суретте шамасы әртүрлі мәндерді көрсетуге қажет болғанда пайдалы. Мысалы, ғаламдағы фотон, электрон, атом, молекула, адам, Жер, Күн жүйесі, галактика және көзге көрінетін ғалам сияқты әртүрлі денелердің мөлшерін бір уақытта көрсету үшін логарифмдік шкала қажет. Логарифмдік шкалалар көбейту немесе бөлуді логарифмдік шкалалардағы ұзындықтарды қосу немесе алу арқылы жүзеге асыруға мүмкіндік беретін есептеу сызғыштарында қолданылады.

Сандар сызығын біріктіру

Шынымен сандар сызығына тік бұрышпен жүргізілген түзу, жорамал сандарды көрсету үшін қолданылуы мүмкін. Бұл түзу, жорамал сызық деп аталады, сандар сызығын күрделі сандар жазықтығына дейін кеңейтеді, ондағы нүктелер күрделі сандарды көрсетеді. Басқаша айтқанда, бір нақты сандар сызығы көлденең түрде салынып, бір нақты санның мүмкін мәндерін, әдетте x деп аталатын, көрсетуге болады, ал екінші нақты сандар сызығы тік түрде салынып, екінші нақты санның мүмкін мәндерін, әдетте y деп аталатын, көрсетуге болады. Бұл сызықтардың бірігуі Картезиандық координаттар жүйесін құрайды, ал жазықтықтағы кез келген нүкте нақты сандар жұбының мәнін көрсетеді. Бұдан әрі, Картезиандық координаттар жүйесін үшінші сандар сызығын елестете отырып кеңейтуге болады, бұл сызық "экраннан (немесе беттен) шығып тұрады" және z деп аталатын үшінші айнымалыны өлшейді. Оң сандар көрерменге экраннан жақын, ал теріс сандар "экранның артында" орналасқан; үлкен сандар экраннан алыс. Сонымен, біз тіршілік ететін үш өлшемді кеңістіктегі кез келген нүкте нақты сандар үштігінің мәнін көрсетеді.

Сызықтық континуум ретінде

Нақты сызық стандартты < реттелу бойынша сызықтық континуум болып табылады. Атап айтқанда, нақты сызық < арқылы сызықтық ретпен реттелген, және бұл реттелу тығыз болып, ең кіші жоғарғы шек қасиетіне ие. Жоғарыда айтылған қасиеттерден өзге, нақты сызықта ең үлкен немесе ең кіші элемент жоқ. Ол сондай-ақ саналатын тығыз ішкі жиынға ие, атап айтқанда, рационал сандар жиыны. Кез келген сызықтық континуумның саналатын тығыз ішкі жиыны бар және ең үлкен немесе ең кіші элементі жоқ болса, ол нақты сызыққа реттік изоморфты екені теорема болып табылады. Нақты сызық саналатын тізбек шартын да қанағаттандырады: 'R' ішіндегі өзара байланыспаған, бос емес ашық аралықтардың кез келген жиыны саналады. Рет теориясындағы белгілі Суслин мәселесі, ең үлкен немесе ең кіші элементі жоқ және саналатын тізбек шартын қанағаттандыратын кез келген сызықтық континуум міндетті түрде 'R' -ге реттік изоморфты бола ма деп сұрайды. Бұл тұжырым ZFC деп аталатын жинақтар теориясының стандартты аксиоматикалық жүйесіне тәуелді емес екені дәлелденді.

Топологиялық кеңістік ретінде

Нақты сызық стандартты топологияны қабылдайды, оны екі түрлі, эквивалентті тәсілмен енгізуге болады. Біріншіден, нақты сандар толығымен реттелгендіктен, олар реттік топологияны қабылдайды. Екіншіден, нақты сандар жоғарыда анықталған метрикадан метрикалық топологияны мұралайды. 'R' бойынша реттік топология және метрикалық топология бірдей. Топологиялық кеңістік ретінде нақты сызық (0, 1) ашық аралығына гомеоморфты. Нақты сызық – өлшемді топологиялық манифольд. Гомеоморфизмге дейін, ол шекарасы жоқ жалғыз байланысқан 1-манифольдтің бірі, екіншісі – шеңбер. Бұған қоса, ол стандартты дифференциалданатын құрылымға ие, оны дифференциалданатын манифольд етеді. (Диффеоморфизмге дейін, топологиялық кеңістік қолдайтын жалғыз дифференциалданатын құрылым бар.) Нақты сызық – жергілікті ықшам кеңістік және паракомпакт кеңістік, сондай-ақ екінші саналатын және нормальды. Ол сонымен қатар жолға байланысты, демек, жалғыз байланысқан, бірақ кез келген бір нүктені алып тастау арқылы ажыратылуы мүмкін. Нақты сызық сонымен қатар қысыңқы, сондықтан оның барлық гомотопиялық топтары мен қысқартылған гомологиялық топтары нөлге тең. Жергілікті ықшам кеңістік ретінде нақты сызықты бірнеше тәсілмен ықшамдауға болады. 'R' бірнүктелік ықшамдалуы – шеңбер (яғни, нақты проекциялық сызық), ал қосымша нүкте – белгісіз шексіздік ретінде қарастырылуы мүмкін. Сонымен қатар, нақты сызықтың екі ұшы бар, ал нәтижедегі ұшқыш ықшамдалуы – кеңейтілген нақты сызық [−∞, +∞]. Нақты сызықтың Stone–Čech ықшамдалуы да бар, ол шексіз көп қосымша нүктелерді қосуды қамтиды. Кейбір жағдайларда нақты сандар жиынына төменгі лимит топологиясы немесе Зариски топологиясы сияқты басқа топологияларды қою пайдалы. Нақты сандар үшін соңғысы – шекті толықтыру топологиясымен бірдей.

Векторлық кеңістік ретінде

Нақты түзу – нақты сандардың R өрісі (яғни өзі) бойынша векторлық кеңістік, оның өлшемі 1-ге тең. Ол ішкі көбейтінді ретінде әдеттегі көбейтуді пайдаланады, осылайша Евклидтік векторлық кеңістік болады. Бұл ішкі көбейтіндімен анықталған норма – абсолюттік шамаға тең.

Өлшем кеңістігі ретінде

Нақты сызық каноникалық өлшемді, атап айтқанда Лебег өлшемін камтиды. Бұл өлшемді "R" бойынша анықталған Борел өлшемінің толықтырылуы ретінде анықтауға болады, онда кез келген аралықтың өлшемі аралықтың ұзындығына тең. Нақты сызықтағы Лебег өлшемі жергілікті жиынтық топтағы Хаар өлшемінің ең қарапайым мысалы болып табылады.