Что такое бесконечная десятичная дробь. Обыкновенные и десятичные дроби и действия над ними

Помните, как в самом первом уроке про десятичные дроби я говорил, что существуют числовые дроби, не представимые в виде десятичных (см. урок «Десятичные дроби »)? Мы еще учились раскладывать знаменатели дробей на множители, чтобы проверить, нет ли там чисел, отличных от 2 и 5.

Так вот: я наврал. И сегодня мы научимся переводить абсолютно любую числовую дробь в десятичную. Заодно познакомимся с целым классом дробей с бесконечной значащей частью.

Периодическая десятичная дробь - это любая десятичная дробь, у которой:

1. Значащая часть состоит из бесконечного количества цифр;
2. Через определенные интервалы цифры в значащей части повторяются.

Набор повторяющихся цифр, из которых состоит значащая часть, называется периодической частью дроби, а количество цифр в этом наборе - периодом дроби. Остальной отрезок значащей части, который не повторяется, называется непериодической частью.

Поскольку определений много, стоит подробно рассмотреть несколько таких дробей:

Эта дробь встречается в задачах чаще всего. Непериодическая часть: 0; периодическая часть: 3; длина периода: 1.

Непериодическая часть: 0,58; периодическая часть: 3; длина периода: снова 1.

Непериодическая часть: 1; периодическая часть: 54; длина периода: 2.

Непериодическая часть: 0; периодическая часть: 641025; длина периода: 6. Для удобства повторяющиеся части отделены друг от друга пробелом - в настоящем решении так делать не обязательно.

Непериодическая часть: 3066; периодическая часть: 6; длина периода: 1.

Как видите, определение периодической дроби основано на понятии значащей части числа . Поэтому если вы забыли что это такое, рекомендую повторить - см. урок « ».

Переход к периодической десятичной дроби

Рассмотрим обыкновенную дробь вида a /b . Разложим ее знаменатель на простые множители. Возможны два варианта:

1. В разложении присутствуют только множители 2 и 5. Эти дроби легко приводятся к десятичным - см. урок «Десятичные дроби ». Такие нас не интересуют;
2. В разложении присутствует что-то еще, кроме 2 и 5. В этом случае дробь непредставима в виде десятичной, зато из нее можно сделать периодическую десятичную дробь.

Чтобы задать периодическую десятичную дробь, надо найти ее периодическую и непериодическую часть. Как? Переведите дробь в неправильную, а затем разделите числитель на знаменатель «уголком».

При этом будет происходить следующее:

1. Сначала разделится целая часть , если она есть;
2. Возможно, будет несколько чисел после десятичной точки;
3. Через некоторое время цифры начнут повторяться .

Вот и все! Повторяющиеся цифры после десятичной точки обозначаем периодической частью, а то, что стоит спереди - непериодической.

Задача. Переведите обыкновенные дроби в периодические десятичные:

Все дроби без целой части, поэтому просто делим числитель на знаменатель «уголком»:

Как видим, остатки повторяются. Запишем дробь в «правильном» виде: 1,733 ... = 1,7(3).

В итоге получается дробь: 0,5833 ... = 0,58(3).

Записываем в нормальном виде: 4,0909 ... = 4,(09).

Получаем дробь: 0,4141 ... = 0,(41).

Переход от периодической десятичной дроби к обыкновенной

Рассмотрим периодическую десятичную дробь X = abc (a 1 b 1 c 1). Требуется перевести ее в классическую «двухэтажную». Для этого выполним четыре простых шага:

1. Найдите период дроби, т.е. подсчитайте, сколько цифр находится в периодической части. Пусть это будет число k ;
2. Найдите значение выражения X · 10 k . Это равносильно сдвигу десятичной точки на полный период вправо - см. урок «Умножение и деление десятичных дробей »;
3. Из полученного числа надо вычесть исходное выражение. При этом периодическая часть «сжигается», и остается обычная дробь ;
4. В полученном уравнении найти X . Все десятичные дроби переводим в обыкновенные.

Задача. Приведите к обыкновенной неправильной дроби числа:

• 9,(6);
• 32,(39);
• 0,30(5);
• 0,(2475).

Работаем с первой дробью: X = 9,(6) = 9,666 ...

В скобках содержится лишь одна цифра, поэтому период k = 1. Далее умножаем эту дробь на 10 k = 10 1 = 10. Имеем:

10X = 10 · 9,6666 ... = 96,666 ...

Вычитаем исходную дробь и решаем уравнение:

10X − X = 96,666 ... − 9,666 ... = 96 − 9 = 87;
9X = 87;
X = 87/9 = 29/3.

Теперь разберемся со второй дробью. Итак, X = 32,(39) = 32,393939 ...

Период k = 2, поэтому умножаем все на 10 k = 10 2 = 100:

100X = 100 · 32,393939 ... = 3239,3939 ...

Снова вычитаем исходную дробь и решаем уравнение:

100X − X = 3239,3939 ... − 32,3939 ... = 3239 − 32 = 3207;
99X = 3207;
X = 3207/99 = 1069/33.

Приступаем к третьей дроби: X = 0,30(5) = 0,30555 ... Схема та же самая, поэтому я просто приведу выкладки:

Период k = 1 ⇒ умножаем все на 10 k = 10 1 = 10;

10X = 10 · 0,30555 ... = 3,05555 ...
10X − X = 3,0555 ... − 0,305555 ... = 2,75 = 11/4;
9X = 11/4;
X = (11/4) : 9 = 11/36.

Наконец, последняя дробь: X = 0,(2475) = 0,2475 2475 ... Опять же, для удобства периодические части отделены друг от друга пробелами. Имеем:

k = 4 ⇒ 10 k = 10 4 = 10 000;
10 000X = 10 000 · 0,2475 2475 = 2475,2475 ...
10 000X − X = 2475,2475 ... − 0,2475 2475 ... = 2475;
9999X = 2475;
X = 2475: 9999 = 25/101.

Тот факт, что многие квадратные корни являются иррациональными числами , нисколько не умаляет их значения, в частности, число $\sqrt2$ очень часто используется в различных инженерных и научных расчетах. Это число можно вычислить с той точностью, которая необходима в каждом конкретном случае. Вы можете получить это число с таким количеством знаков после запятой, на которое у вас хватит терпения.

Например, число $\sqrt2$ можно определить с точностью до шести десятичных знаков: $\sqrt2=1,414214$. Эта величина не очень сильно отличается от истинного значения, поскольку $1,414214 \times 1,414214=2,000001237796$. Этот ответ отличается от 2 на величину, едва превышающую одну миллионную. Поэтому значение $\sqrt2$, равное $1,414214$, считается вполне приемлемым для решения большинства практических задач. В том случае, когда требуется большая точность, нетрудно получить столько значащих цифр после запятой, сколько необходимо в данном случае.

Однако если вы проявите редкостное упрямство и попробуете извлекать квадратный корень из числа $\sqrt2$ до тех пор, пока не добьетесь точного результата, вы никогда не закончите своей работы. Это бесконечный процесс. Сколько бы десятичных знаков после запятой вы ни получили, всегда останется еще несколько.

Этот факт может поразить вас так же сильно, как и превращение $\frac13$ в бесконечную десятичную дробь $0,333333333…$ и так бесконечно или превращение $\frac17$ в $0,142857142857142857…$ и так далее бесконечно. На первый взгляд может показаться, что эти бесконечные и иррациональные квадратные корни - это явления одного порядка, но это совсем не так. Ведь у этих бесконечных дробей есть дробный эквивалент, в то время как у $\sqrt2$ такого эквивалента нет. А почему, собственно? Дело в том, что десятичным эквивалентом $\frac13$ и $\frac17$, а также бесконечного числа других дробей являются периодические бесконечные дроби.

В то же время десятичный эквивалент $\sqrt2$ является непериодической дробью. Это утверждение справедливо также для любого иррационального числа.

Проблема заключается в том, что любая десятичная дробь, которая является приближенным значением корня квадратного из 2, представляет собой непериодическую дробь . Как далеко мы ни продвинемся в расчетах, любая дробь, которую мы получим, будет непериодической.

Представьте себе дробь с огромным количеством непериодических цифр после запятой. Если вдруг после миллионной цифры вся последовательность десятичных знаков повторится, значит, десятичная дробь - периодическая и для нее существует эквивалент в виде отношения целых чисел. Если у дроби с огромным количеством (миллиарды или миллионы) непериодических десятичных знаков в какой-то момент появляется бесконечная серия повторяющихся цифр, например $…55555555555…$, это также означает, что данная дробь - периодическая и для нее существует эквивалент в виде отношения целых чисел.

Однако в случае их десятичные эквиваленты полностью непериодические и не могут превратиться в периодические.

Разумеется, вы можете задать следующий вопрос: «А кто может знать и сказать наверняка, что происходит с дробью, скажем, после триллионного знака? Кто может гарантировать, что дробь не станет периодической?» Существуют способы неопровержимо доказать, что иррациональные числа являются непериодическими, но такие доказательства требуют сложного математического аппарата. Но если бы вдруг оказалось, что иррациональное число становится периодической дробью , это означало бы полный крах основ математических наук. И на самом деле это вряд ли возможно. Это вам не просто на костяшки перекидывать со стороны на сторону, здесь сложная математическая теория.

Как известно, множество рациональных чисел (Q) включает в себя множества целых чисел (Z), которое в свою очередь включает множество натуральных чисел (N). Помимо целых чисел в рациональные числа входят дроби.

Почему же тогда все множество рациональных чисел рассматривают иногда как бесконечные десятичные периодические дроби? Ведь кроме дробей, они включают и целые числа, а также непериодические дроби.

Дело в том, что все целые числа, а также любую дробь можно представить в виде бесконечной периодической десятичной дроби. То есть для всех рациональных чисел можно использовать одинаковый способ записи.

Как представляется бесконечная периодическая десятичная дробь? В ней повторяющуюся группу цифр после запятой берут в скобки. Например, 1,56(12) - это дробь, у которой повторяется группа цифр 12, т. е. дробь имеет значение 1,561212121212... и так без конца. Повторяющаяся группа цифр называется периодом.

Однако в подобном виде мы можем представить любое число, если будем считать его периодом цифру 0, которая также повторяется без конца. Например, число 2 - это то же самое, что 2,00000.... Следовательно, его можно записать в виде бесконечной периодической дроби, т. е. 2,(0).

То же самое можно сделать и с любой конечной дробью. Например:

0,125 = 0,1250000... = 0,125(0)

Однако на практике не используют преобразование конечной дроби в бесконечную периодическую. Поэтому разделяют конечные дроби и бесконечные периодические. Таким образом, правильнее говорить, что к рациональным числам принадлежат

• все целые числа,
• конечные дроби,
• бесконечные периодические дроби.

При этом просто помнят, что целые числа и конечные дроби представимы в теории в виде бесконечных периодических дробей.

С другой стороны, понятия конечной и бесконечной дроби употребимы к десятичным дробям. Если говорить об обыкновенных дробях, то как конечную, так и бесконечную десятичную дробь можно однозначно представить в виде обыкновенной дроби. Значит, с точки зрения обыкновенных дробей, периодические и конечные дроби - это одно и то же. Кроме того, целые числа также могут быть представлены в виде обыкновенной дроби, если представить, что мы делим это число на 1.

Как представить десятичную бесконечную периодическую дробь в виде обыкновенной? Чаще используют примерно такой алгоритм:

1. Приводят дробь к виду, чтобы после запятой оказался только период.
2. Умножают бесконечную периодическую дробь на 10 или 100 или … так, чтобы запятая передвинулась вправо на один период (т. е. один период оказался в целой части).
3. Приравнивают исходную дробь (a) переменной x, а полученную путем умножения на число N дробь (b) - к Nx.
4. Из Nx вычитают x. Из b вычитаю a. Т. е. составляют уравнение Nx – x = b – a.
5. При решении уравнения получается обыкновенная дробь.

Пример перевода бесконечной периодической десятичной дроби в обыкновенную дробь:
x = 1,13333...
10x = 11,3333...
10x * 10 = 11,33333... * 10
100x = 113,3333...
100x – 10x = 113,3333... – 11,3333...
90x = 102
x =

Известно, что если знаменатель п несократимой дроби в своем каноническом разложении имеет простой множитель не равный 2 и 5, то эта дробь не представима в виде конечной десятичной дроби. Если мы попытаемся в этом случае записать исходную несократимую дробь в виде десятичной, производя деление числителя на знаменатель, то процесс деления закончиться не может, т.к. в случае его завершения через конечное число шагов, мы получили бы в частном конечную десятичную дробь, что противоречит ранее доказанной теореме. Так что в этом случае десятичная запись положительного рационального числа а = представляется бесконечной дробью.

Например, дробь = 0,3636... . Легко заметить, что остатки при делении 4 на 11 периодически повторяются, следовательно, и десятичные знаки будут периодически повторяться, т.е. получается бесконечная периодическая десятичная дробь , которую можно записать так 0,(36).

Периодически повторяющиеся цифры 3 и 6 образуют период. Может оказаться, что между запятой и началом первого периода стоит несколько цифр. Эти цифры образуют предпериод. Например,

0,1931818... Процесс деления 17 на 88 бесконечен. Цифры 1, 9, 3 образуют предпериод; 1, 8 – период. Рассмотренные нами примеры отражают закономерность, т.е. любое положительное рациональное число представимо либо конечной, либо бесконечной периодической десятичной дробью.

Теорема 1. Пусть обыкновенная дробь несократима и в каноническом разложении знаменателя n есть простой множитель отличный от 2 и 5. Тогда обыкновенная дробь представима бесконечной периодической десятичной дробью.

Доказательство. Мы уже знаем, что процесс деления натурального числа m на натуральное число n будет бесконечным. Покажем, что он будет периодическим. В самом деле, при делении m на n будут получаться остатки, меньшие n, т.е. числа вида 1, 2, ..., (n – 1), откуда видно, что количество различных остатков конечно и потому, начиная с некоторого шага какой-то остаток повторится, что повлечет за собой повторение десятичных знаков частного, и бесконечная десятичная дробь становится периодической.

Имеют место еще две теоремы.

Теорема 2. Если в разложение знаменателя несократимой дроби на простые множители не входят цифры 2 и 5, то при обращении этой дроби в бесконечную десятичную дробь получится чистая периодическая дробь, т.е. дробь, период которой начинается сразу же после запятой.

Теорема 3. Если же в разложение знаменателя входят множители 2 (или 5) или тот и другой, то бесконечная периодическая дробь будет смешанной, т.е. между запятой и началом периода будет несколько цифр (предпериод), а именно столько, каков больший из показателей степеней множителей 2 и 5.

Теоремы 2 и 3 предлагается доказать читателю самостоятельно.

28. Способы перехода от бесконечных периодических
десятичных дробей к дробям обыкновенным

Пусть дана периодическая дробь а = 0,(4), т.е. 0,4444... .

Умножим а на 10, получим

10а = 4,444…4…Þ 10а = 4 + 0,444….

Т.е. 10а = 4 + а , получили уравнение относительно а , решив его, получим: 9а = 4 Þ а = .

Замечаем, что 4 – одновременно и числитель полученной дроби и период дроби 0,(4).

Правило обращения в обыкновенную дробь чистой периодической дроби формулируется так: числитель дроби равен периоду, а знаменатель состоит из такого числа девяток, сколько цифр в периоде дроби.

Докажем теперь это правило для дроби, период которой состоит из п

а = . Умножим а на 10 n , получим:

10 n × а = = + 0, ;

10 n × а = + a ;

(10 n – 1) а = Þ a = = .

Итак, сформулированное ранее правило, доказано для любой чистой периодической дроби.

Пусть теперь дана дробь а = 0,605(43) – смешанная периодическая. Умножим а на 10 с таким показателем, сколько цифр в предпериоде, т.е. на 10 3 , получим

10 3 × а = 605 + 0,(43) Þ 10 3 × а = 605 + = 605 + = = ,

т.е. 10 3 × а = .

Правило обращения в обыкновенную дробь смешанной периодической дроби формулируется так: числитель дроби равен разности между числом, записанным цифрами, стоящими до начала второго периода, и числом, записанным цифрами стоящими до начала первого периода, знаменатель состоит из такого числа девяток, сколько цифр в периоде и такого числа нулей сколько цифр стоит до начала первого периода.

Докажем теперь это правило для дроби, предпериод которой состоит из п цифр, а период из к цифр. Пусть дана периодическая дробь

Обозначим в = ; r = ,

с = ; тогда с = в × 10 к + r .

Умножим а на 10 с таким показателем степени сколько цифр в предпериоде, т.е. на 10 n , получим:

а ×10 n = + .

Учитывая введенные выше обозначения запишем:

а× 10 n = в + .

Итак, сформулированное выше правило доказано для любой смешанной периодической дроби.

Всякая бесконечная периодическая десятичная дробь является формой записи некоторого рационального числа.

В целях однообразия иногда конечную десятичную дробь также считают бесконечной периодической десятичной дробью с периодом «нуль». Например, 0,27 = 0,27000...; 10,567 = 10,567000...; 3 = 3,000... .

Теперь становится справедливым такое утверждение: всякое рациональное число можно (и притом единственным образом) выразить бесконечной десятичной периодической дробью и всякая бесконечная периодическая десятичная дробь выражает ровно одно рациональное число (периодические десятичные дроби с периодом 9 при этом не рассматриваются).