通约性

✍ dations ◷ 2025-04-03 10:54:19 #有理数,振动和波,天体力学

假若,两个不等于零的实数 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 的除商 a b {\displaystyle {\frac {a}{b}}\,\!} 是一个有理数,或者说, a {\displaystyle a} b {\displaystyle b} 的比例相等于两个非零整数 p {\displaystyle p} q {\displaystyle q} 的比例:

则称它们是互相可通约的(commensurable),而这特性则称为通约性。这意味着,存在一个非零的实数公测数 (common measure) m   ( m R ) {\displaystyle m\ (m\in R)} ,使得

所以

或是

其中 p q Q {\displaystyle {\frac {p}{q}}\in Q} ,所以 a b Q {\displaystyle {\frac {a}{b}}\in Q}

反之,如果该二数的除商是一个无理数,则称它们是不可通约的(incommensurable),亦即, a {\displaystyle a} b {\displaystyle b} 之间不存在一个公测数 m   ( m R , m 0 ) {\displaystyle m\ (m\in R,m\neq 0)} 使得

毕达哥拉斯学派发现了不可通约数(无理数) 2 {\displaystyle {\sqrt{2}}} ,这破坏了他们的比例论。

为了挽救比例论,尤得塞斯提出了以几何量为基础的比例论,被欧几里得收录在《几何原本》的第五册中。这本书里面记载着,假若, n a {\displaystyle n_{a}\,\!} 个线段 c {\displaystyle c\,\!} 连接起来,成为一个线段,全等于线段 a {\displaystyle a\,\!} n b {\displaystyle n_{b}\,\!} 个线段 c {\displaystyle c\,\!} 连接起来,成为一个线段,全等于线段 b {\displaystyle b\,\!} ;这里, n a {\displaystyle n_{a}\,\!} n b {\displaystyle n_{b}\,\!} 是整数。那么,两个线段 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 是互相可通约的。欧几里得并没有用到实数的概念。他用到了线段与线段之间,全等,比较长,或比较短,这些概念。

设定实数 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 。那么,实数 c {\displaystyle c\,\!} ,整数 n a {\displaystyle n_{a}\,\!} n b {\displaystyle n_{b}\,\!} 的存在,促使

的充分必要条件是除商 a b {\displaystyle {\frac {a}{b}}\,\!} 为有理数。

假设 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 是正值的实数。又假设我们有一支尺,长度单位为实数 c {\displaystyle c\,\!} 。我们用这尺来测量两个长度为 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 的线段。假若,所得到的答案都是整数,则称 a {\displaystyle a\,\!} b {\displaystyle b\,\!} 互相可通约的;否则,互相不可通约的。

在天文学里,两个公转于运行轨道的天体,像行星、卫星、或小行星,假若,它们的公转周期的比例是有理数,则称它们相互呈现通约性。

例如,海王星与冥王星的轨道周期的比例是 2:3 。土星的两个卫星,土卫六与土卫七的轨道周期的比例是 3:4 。特洛伊小行星与木星的轨道周期的比例是 1:1 。格利泽 876b 与格利泽 876c ,这两个太阳系外行星的轨道周期的比例是 2:1 。

科学家认为天体的通约性应该是因为轨道共振而产生的。

在一个周期性物理系统里,每一个广义坐标都有它运动的周期。假若,其中有任何广义坐标的周期与别的广义坐标的周期不相同,则称此物理系统为多重周期性物理系统。假若,两个广义坐标的周期的比例是个有理数,则称这两个周期是互相可通约的。假若,每一个广义坐标的周期与其它的广义坐标的周期都是互相可通约的,则此系统是完全可通约的,称此系统为完全可通约系统。

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