Scoprire l'aritmetica delle frazioni, intese cioè come enti con proprie caratteristiche, ci permetterà di comprendere di quali proprietà goda l'insieme dei numeri razionali. Cerchiamo, quindi, di dedurre le proprietà delle operazioni nell'insieme delle frazioni:
Poiché le 4 operazioni elementari sono interne all'insieme ℚ, allora ℚ è chiuso rispetto alle 4 operazioni elementari.
Ogni numero naturale ha un precedente (0 escluso) e un successivo, cosa che ci fa dire che ℕ è discreto. Secondo te, possiamo dire lo stesso di ℚ?
MATHLAB Prova a rispondere: qual è il successivo del numero razionale 4,7?
SOLUZIONE
Forse il successivo di 4,7 potrebbe sembrarti 4,8 ma non lo è, poiché per esempio 4,7 < 4,75 < 4,8 e 4,75 è ancora un numero razionale. Considera ora 4,75 e 4,8 e itera il procedimento: 4,75 < 4,755 < 4,8.
Come avrai capito, potrai ripetere il procedimento... all'infinito!
I numeri razionali non sono "isolabili", cioè dato un numero razionale, è impossibile determinarne il successivo perché fra 2 numeri razionali ce ne sono sempre infiniti altri! ℚ non è perciò discreto, ma è denso.
Ti ricordi che te lo avevo spoilerato?
ℚ è denso: fra 2 numeri razionali qualsiasi è sempre possibile individuare un altro numero razionale.
Altrimenti detto: in ogni intervallo di numeri razionali è sempre possibile individuare un altro numero razionale diverso dagli estremi.
Confronta la densità di ℚ con quanto avevi visto, invece, per ℕ... Ricordi?
Si può dimostrare la densità di ℚ in tanti modi.
Uno è calcolare la media aritmetica fra i 2 valori (semi-somma dei 2 valori): poiché la semi-somma di 2 frazioni è ancora una frazione, la media aritmetica fra i 2 valori è ancora un numero razionale compreso fra i 2 valori, come hai visto nel MathLab.
Un altro è, per esempio, dimostrare che, date 2 frazioni a/b < c/d, c'è almeno una frazione compresa fra le 2; questa è, per esempio, la frazione (a+c)/(b+d) è tale che:
Quindi non è possibile determinare il precedente e il successivo di un numero razionale, a differenza di quanto accade per i numeri interi e per i naturali diversi da 0. Quindi non c'è consecutività fra numeri razionali, poiché non è possibile elencare tutti i singoli elementi che li caratterizzano. Tuttavia, poiché ℚ è ordinato e numerabile, il fatto che non si possa stabilire quale sia il successivo di un numero razionale non impedisce di confrontare 2 razionali per stabilire chi sia il maggiore né di considerare in una certa successione infinita tutti i razionali.
Inoltre, in ℚ la moltiplicazione non sempre accresce gli operandi, così come la divisione non sempre li riduce. Infatti, se nell'insieme ℕ dei numeri naturali, il prodotto è:
nullo, se almeno uno dei 2 fattori è 0;
uguale a uno dei 2 fattori, se almeno uno dei 2 fattori è 1;
maggiore dei 2 fattori, altrimenti;
invece in ℚ il prodotto accresce gli operandi se e solo se sono entrambi maggiori di 1; analogamente in ℚ il quoziente riduce gli operandi se e solo se il divisore è maggiore di 1.
Via via emergono chiare analogie e differenze fra ℕ, ℤ e ℚ, come queste...
Come il segmento in geometria, anche l'intervallo in aritmetica è definito dai suoi estremi che bastano a identificarlo perché tutti i suoi numeri sono compresi fra gli estremi e quindi è chiaro quale sia l'insieme dei numeri considerati. Ma se in un un segmento non ci sono né buchi né tratteggi (non stacchi la penna dal foglio per disegnarlo, cioè è un tratto continuo), questo varrà anche per gli intervalli di ℚ? O forse fra i razionali si nascondono altri numeri? Seguimi e lo scoprirai. Per il momento restiamo in ℚ e andiamo a conoscere un'altra operazione...