数的分类

昆仑班级的新同学们:

你们好。

上一篇文章发布以后,有不少人跟我说,文章太长了,让我分成几篇。可能是老师没有说清楚,我之所以写在一起,是为了思维上的连贯性,并没有要求你们一次性看完,你们一次看一小节就可以。当然,你们如果有兴趣一次性读完,那我会非常欣慰。

这篇文章的主要内容可以分成3小节:

1、“数”的类型梳理(含“分数”与“整数”);

2、“分数”与“小数”的关系;

3、部分作业反馈

好了,话不多说,我们直接开始第一小节。


“数”的梳理

在第一篇文章中,我们已经知道了,因为实际的需要,我们人类创造出了各种各样的“数”——自然数、整数、分数、小数、负数、正数,以及特殊的0。东西多了就容易乱,乱了就容易出问题,所以,我们很有必要对这些数进行严谨的分类。

举一个非常恰当的例子吧。我们自己的房间,一般都会有各种各种的东西,有衣服、鞋子、玩具、文具……,衣服又有很多分类:上衣、裤子、夏天衣服、冬季衣服……。这么多东西,如果不整理清楚,房间就会显得很乱,房间乱的话,我们找东西就会很不方便。你可能会说乱一点没事,但那样的话,妈妈肯定会第一个不同意吧,哈哈。

整洁的房间人人爱,数字也是一样

想一想,你们在整理房间的时候,第一件事是不是归类?“数”的分类也是一样的。我们可以清楚地知道房间里的东西属于哪类,比如鞋子就是鞋子,你绝对不会把它归入到衣服一类,那所有的数字你都清楚属于哪一类型吗?所以,我们现在梳理一下——

一、自然数

自然数是可以计量事物的件数或表示事物次序的数。我们分开来看,“计量事物的件数”就是“计数”的意思,回想我们上一篇文章中说的,创造自然数的最初目的就是为了“数数”。对于“表示事物的次序”这个意义,我们会在下一篇文章中讨论。

上面是用我们的文字语言解释自然数,不知道你有没有觉得繁琐,那用数字符号语言怎么表示呢?——用符号01234……表示的数就是自然数。怎么样,有没有很简洁?你喜欢哪种方式呢?

实际上,用抽象的数字符号语言表示,同时用熟悉的文字语言解释,也就是将二者联系起来,对与理解数学,学好数学是非常有必要的。一方面,光用数学符号语言表示,人们会很难理解这到底在说什么,会觉得与我们的实际生活很割裂;另一方面,光用文字语言解释,会显得很繁琐,不够简洁、直观。所以,在今后的学习中,一定要重视数字符号语言的表示以及文字语言的表述。还有一个图形语言,我们在下一篇文章中会说到。总之,合理的运用三种语言(文字语言、数学符号语言、图形语言),对于我们学好数学非常有必要,现在体会不深不要紧,我们慢慢来。

有了上面的分析,我们能够得到结论:自然数一定都是整数,也就是完整的事物数量;同时,自然数一定不是负数,想象一下,有2个苹果,1个苹果,0个苹果,总不能有-1个苹果吧?你可能会说,-1个苹果就是欠一个苹果。如果这样,那就是在表示数量的基础上,额外增加了“欠”的实际含义,犯规了。所以,自然数都是整数,一定不是负数。那能说,自然数是正数吗?sorry,因为“0”这个特殊分子,我们不能说自然数是正数,只能说自然数是非负数

二、整数

没有特别清楚的定义,我们只能说,像-3、-2、-1、0、1、2、3、10等这样的数就是整数。有时候,文字语言的解释就是那么的苍白无力……老师相信你们都能够分辨出哪些数是整数,哪些数不是整数,如果你有兴趣,开学后欢迎与我讨论用其他的方式去解释。

这就是传说中的“归纳性定义”,还不是因为说不清楚

关于整数,需要强调以下2点:

1、“0”也是整数,只不过比较特殊;

2、“-1”既是负数,也是整数,很多时候我们会合起来,叫做“负整数”,同理,对于我们非常熟悉的“2”,你也可以叫做“正整数”——正数与负数总是相对出现的

三、分数

最开始学分数的时候,老师都是讲把“1”平均分成几份,比如平均分成4份,其中的一份就是\frac{1}{4}

,其实还可以说成其中的一份占整体的\frac{1}{4}

这两种表达方式都对,分别对应分数的两个不同的含义:“平均分”、“部分与整体的关系”,其中“部分与整体关系”再引申就是你们六年级才学的“比”的含义。这个我们大概会在第四篇文章——数的四则运算中详细讨论。这里就先打住。

因为一开始是拿数字1来举例,所以很多学生最初认为分数比0大,但是比1小。再到后来,我们又认识了假分数,为了形式上的统一,我们人类就规定用类似\frac{b}{a} 这种形式表示的数,就是分数。

上一篇文章中,我们曾提到,\frac{4}{2} =2,也就是说,任何一个整数都可以表示成\frac{b}{a} 的形式,那整数与分数的这种关系怎么说呢?它们之间的界限又该如何界定呢?同学们,关于这个问题,你们是怎么考虑的呢?

这个嘛,让我好好想一想

给你们两个选项:

1认可整数与分数的关系——整数是一种特殊的分数。举个有点不恰当的例子,这就有点像两个非常熟悉的人,有一天突然发现竟然是失散多年的亲人,不禁感慨,原来还存在这样一层关系;

2、不认可整数与分数的关系,emmmm……然后……怎么办呢?想个什么办法区分一下咯?

如果是在教室,我会让大家各抒己见,然后发起一轮投票,只不过现在条件不允许,我就直接说了。在说之前,我先问一个问题,同学们,你们现在明白这个问题的焦点(也就是我们讨论的核心点)是什么吗?焦点就是——我们已经深刻理解了“整数”与“分数”的由来及意义,只不过在梳理时,发现二者存在一层微妙的关系,因为这层“微妙的关系”,让“整数”与“分数”的关系有些小尴尬。

还记得“0是不是自然数”这个问题吗?这两个问题非常的类似,都是在深刻理解的基础上,如何明确规定的问题。这种情况,简单说,就看人类怎么规定了。那人类怎么规定呢?我们人类选择了第2个选项——不认可整数与分数的这层关系,想办法区分开来。

怎么区分呢?我们规定,分数就是可以化简成\frac{b}{a} (a、b互质且a≠1)的数,简单说就是,如果\frac{b}{a} 能够化简成整数,那它就不是分数。看到了吧,增加一个条件,就把这个问题解决了。

那我们人类这样的规定合理吗?我认为是合理的,原因就是第一篇文章——《数的诞生》中提到的:我们人类创造整数(更准确说应该是自然数),是用来表示完整的事物的数量;创造分数与小数,是用来表示不完整的物体的数量。如果将整数看作一种特殊的分数,那就背离了我们人类创造的初衷。

关于整数与分数的关系,这下明白了吗?关于分数,老师再强调一点:-\frac{1}{4} 既是负数,也是分数,合起来就是负分数。

我们总说,数学是一门严谨的学科,可以锻炼我们严谨的逻辑思维,在这个小小的问题中,你们能感受到一丢丢吗?

同学们,在今后的数学学习中,一定要重视基本概念的理解,基本概念就像是一幢大厦的地基,基础不牢,地动山摇。只有深刻理解了基本概念,才能真正说明我们“学会了”,而不是仅仅“记住了”。理解了基本概念,再加上适当的练习,取得优异的成绩将会非常简单。

四、小数

分辨哪些数是小数,这个问题就比较简单了。老师直接强调一下即可:

1、小数不是比1小的数,而是含小数部分的数,比如1.23比1大,也是小数;

2、-3.26是负数,也是小数;

3、小数还可以继续分类:有限小数,无限循环小数,无限不循环小数

五、负数、正数

上一篇文章已经说得非常清楚了,负数与正数可以表示一对意义相反的数。负数与正数意义相反,成对出现,正数有的,负数也一定存在,比如正数里存在整数(2),分数(\frac{1}{4} ),小数(3.98),那负数一定有整数(-2),分数(-\frac{1}{4} ),小数(-3.98)。再简单一点,正、负数其实就是在原先各类型的数的基础上增加了“相反意义”,且用符号“+”“-”表示。

需要注意的是,我们不能说负数包括整数,因为2也是整数,但不是负数,也就是说,负数里只有部分整数——负整数。同样地,我们也不能说负数包括分数、小数,只能说负数里有部分分数(负分数),部分小数(负小数)。剩下的部分自然属于正数了,当然还有那个特殊的0需要注意。

六、0

这个数字比较特殊,前面已经讨论足够多了,下面直接总结:

1、0既不是正数,也不是负数;

2、0是自然数,也是整数。

梳理完这几种类型的数后,我们会发现,它们之间的关系并不是简单的包含与被包含关系,大部分都存在交叉现像。那我们“数”的房间该如何整理呢?你们可以先思考,等开学以后,我们会正式学习,现在我就不剧透了,一定要自己思考哦。

“分数”与“小数”的关系

梳理完了各类型的数,我们重点讨论一下“分数”与“小数”的关系,举个简单的例子,同样是一半,既可以用小数0.5表示,也可以用分数\frac{1}{2} 表示,那就说明分数与小数肯定存在很紧密的关系。

一、分数转换成小数

先来看分数的第一个含义:平均分。说到平均分,我们会与除法联系起来,实际上,平均分也是除法运算的一个含义。比如,有20个苹果,要平均分给5个人,每一个人能分到多少个苹果呢?我们会列一个算式——20÷5=4,结果表示每一个人可以平均分到4个苹果。如果又来了一个人,变成了6个人,那该怎么分呢?可以肯定,每个人不可能得到整数个苹果,那怎么表示呢?我们人类就是因为这个问题,创造了分数,也就是每人平均得到\frac{20}{6} 个苹果,用算式表示就是——20÷6=\frac{20}{6} 看见了吧,分数的创造其实非常的巧妙,处处体现出与除法运算的关系。

分数的形式与除号像不像?

因为分数与除法的关系,任意给一个分数,我们都能转化成除法,从而用小数表示其结果。比如,\frac{23}{5} =23÷5=4.6。这说明,任意一个分数,我们都能通过除法运算,转化成小数。想一想,是不是这个样子呢?

顺着这个思路,我们来看一看分数转化成的小数都有哪些特点吧?

会有两种结果:有限小数与无限循环小数 

对于有限小数,无限循环小数,相信你们应该已经非常熟悉了。我们现在要继续讨论的问题是:一定只有这两种结果吗?还有没有第三种可能?如果没有,那能解释一下为什么吗?

数学是一门严谨的学科,学习数学,我们不能只满足于知道“是什么”,而要多追问一句“为什么”。只有这样,我们才能真正理解数学,掌握数学,学到数学这门学科的精髓,这将是受用一生的重要能力。

答案是,只有这两种情况,老师现在解释原因。

简单说,将分数转化成除法,结果应该只有两种:能除尽,不能除尽,对此应该不会有太大的疑问吧?能除尽,肯定就是有限小数了;不能除尽,那就是无限小数了。现在的问题就变成:如果不能除尽,结果一定是无限循环吗?有没有可能无限不循环呢?

一步一步分析问题,问题就会越来越清晰,也会更加容易解决。老师提醒一句,重要的不是结果,而是思考的过程,所以老师才会写的这么详细。

下面,老师以5÷7为例,解释一下原因,请对照上图一起看。说到除法竖式,我们都知道:

1、每一步都会有余数,如果余数为0,就说明已经除尽了,如果余数不为0,就说明还没有除尽,需要继续除下去;

2、余数都比除数小,不然怎么能说是“余下来的数”呢?

3、以老师所举的算式为例,除数是“7”,不考虑除尽,那余数就只可能是“1”“2”“3”“4”“5”“6”这里面的几个或者全部;

4、对照图片我们能看到,第一步的余数是“1”,第二步的余数是“3”,一直到第六步,都没有出现重复。余数依次是:1、3、2、6、4、5,看一看,是不是都比“除数7”小呢?

5、第七步的余数是“1”,与第一步的余数重复了,第八步的余数是“3”,与第二步的余数重复。我们可以大胆猜测,第九步的余数是“2”,必然与第三步的余数重复。为什么呢?因为每一步的余数,都成了下一步的被除数,被除数一样,除数也是一样,那结果肯定会一样咯。

6、以此类推,后面的余数肯定会重复出现,那对应的得数肯定也会重复出现,于是乎,结果就成无限循环小数了。

现在你能明白了吗?如果不明白,那我们再举一个例子——13÷11。在这个算式中,除数是“11”,如果除不尽,那余数一定是“1”到“10”这里面的几个或者全部。假如余数一直不重复,那最多计算到第10步,所有的情况就都出现过了,此时再继续除一步,就肯定会出现重复。你们还可以自己举例试一试。

所以,用整数表示分子分母的分数而言,分子相当于被除数,分母相当于除数,如果除不尽,那么最多除“分母数”的次数,余数就一定会出现重复,结果也就会重复出现。

同学们,如果不明白也不要紧,你可以单独与老师沟通,我们也可以等开学以后面对面交流。

好了,经过上述讨论,我们终于可以理直气壮,信心满满地得出结论了,那就是——分数通过除法运算一定可以转化成小数,且只有两种可能,有限小数(能除尽)和无限循环小数(不能除尽),不可能出现无限不循环小数。

二、小数转换成分数

我刚刚讲了分数怎么转化成小数,反过来小数怎么转化成分数,你们有思路吗?可以先想一想。我先抛出来一个问题:分数只有一种形式——\frac{b}{a} ,顶多就是对a与b添加一个条件。对比之下,小数就没有那么简单了,首先小数可以分为有限小数和无限小数,无限小数又能分为无限不循环小数。这么多种类,怎么下手呢?

小数种类比较多

答案就是:分类讨论分类讨论思想,是数学中非常重要的一种思想,常用来分析情况比较多,形式比较多样的问题。下面我们分开来看:

1、有限小数与分数

同分数转化成小数类似,小数可以转化成除法的形式,比如1.5=15÷10,12.362=12362÷1000,进而可以写成分数的形式,如果需要就进行化简。这说明,有限小数一定可以转化成分数的形式。

2、无限循环小数与分数

接下来就是比较严格的证明,也是我们数学中非常重要的能力,我们举几个简单的例子,如果觉得看不懂,我们可以后面继续讨论。

有没有觉得很神奇,明明是一个无限小数,扩大10倍然后相减,最后变成了整数!那是不是所有的无限小数都可以用这种方法呢?

答案是,yes。但如果你理解成,都扩大10倍再减,就不对了,我们再看一个例子——1.171717……

能想明白为什么这次要扩大100倍吗?这样做的目的是为了保证小数部分相同,这样相减以后,循环小数部分就没有了。所以,对于任意一个无限循环小数,我们需要根据循环节来确定扩大多少倍,如果循环节只有1位,那我们就扩大10倍,如果循环节有3位,我们就要扩大1000倍了。只有这样,我们才能保证把小数部分减掉。

3、无限不循环小数与分数

对不起,这次老师我没辙了。想一想,无限不循环小数,无限意味着有无穷多个数,不循环又意味着没有任何规律。无穷多个数,还没有规律,我都无法准确地表达出来。就像犹抱琵琶半遮面一样,我连这个数到底“长”什么样子都不知道,那还怎么研究呢?

不光是老师我没辙,时至今日,人类对这类数都没有太好的办法。但是,到了初二你们就会发现,这类我们人类没辙的数,有一天会以另外一种方式,突然出现在我们面前,一出场就自带音响,打了人类一个措手不及,直接引发了数学史上的第一次数学危机,甚至有人为此付出了宝贵的生命。

具体内容,我们到时候会好好讲,现在我们可以得出这样的结论——有限小数和无限循环小数可以转化成分数,无限不循环小数无法转化成小数。

那是不是说,暂时就先不管无限不循环小数了呢?老实讲,尽管再不情愿,现在确实没办法去研究。等到了初二,我们再来用另一种方法,研究部分特殊的无限不循环小数吧。

老师真不知道怎么研究了 

部分作业反馈

在写这边文章的时候,老师特别留意了你们的作业,如果你仔细阅读这篇文章就会发现,很多问题老师已经在文章里反馈了。

一、其他“数”

有不少同学在“算术部分1”第一题中提到,小学学过的“数”还有——奇数、偶数,质数(又称素数)、合数,因数、倍数等等。实际上,这些数与我们前面讨论的自然数、整数、小数、分数、正数、负数、0等,还有一些区别,老师在这里简单解释一下:

1、回想这两篇文章中提到的“数”的诞生过程,无一不是人类根据实际情况的需要,特意创造、发明出来的。但“奇数、偶数……”这些数却不是;

2、那这些数是用来干什么的呢?是用来研究“整数”的性质的,也就是说奇数、偶数……”这些数,统统都是整数

3、什么是整数的“性质”呢?性质,简单说就是一类事物的特点,人类创造了“整数”以后,发现整数中的有些数很有特点,就专门去研究。也就是,这些“数”都是已经诞生的,人们因为研究而专门分类命名。

4、举一个比较合适的例子,你们就会更加明白——

奇数等不是“新”的数

二、非常棒的新问题!

在你们的作业中,老师发现悦扬同学提出了这样一个非常有趣的新问题,与我们这篇文章讨论的内容有联系,老师就特别说一下。她发现0.\dot{3}\times3=0.  \dot{9} 0.\dot{3} =\frac{1}{3} ,而\frac{1}{3} \times 3=1,一会是0.\dot{9} ,一会又变成1,好奇怪。

非常棒的新问题!

这个问题不知道悦扬同学后面想清楚了没有,老师借机简单解释一下,对于一个结论来说,如果它的计算过程或者推导证明过程,一没有错误,二没有漏洞,那么我们就应该坚定的相信它!什么意思呢?就是说,0.\dot{9} =1

我估计你们肯定会很惊讶,一个是无限循环小数,一个是整数,二者怎么会相等呢?实际上,这个问题在之前困扰了数学家很久,数学史上的第二次数学危机的出现,就与这个内容有很大的联系——极限问题。正是为了解决此次数学危机,人类建立了完整的高等数学理论基础。

无论如何,善于发现问题永远都是非常棒的行为,在数学中非常重要,有些问题我们目前可能还解决不了,可那又如何呢?有时候,发现问题就等于发现了希望。给我们的悦扬同学点赞!

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