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  • 自然数

    自然数(natural number),可以是指正整数(1, 2, 3, 4),亦可以是非负整数(0, 1, 2, 3, 4)。在数论通常用前者,而集合论和计算机科学则多数使用后者。认为自然数不包含零的其中一个理由是因为人们(尤其是小孩)在开始学习数字的时候是由“一、二、三...”开始,而不是由“零、一、二、三...”开始, 因为这样是非常不自然的。自然数中,除了0就是正整数。正整数又可分为素数,1和合数。自然数组成的集合是一个可数的,无上界的无穷集合。数学家一般以N来表示它。自然数集上有加法和乘法运算,两个自然数相加或相乘的结果仍为自然数。也可以作减法或除法,但相减和相除的结果未必都是自然数,所以减法和除法运算在自然数集中并不是总能成立的。

    编辑摘要

    目录

    数学术语 /自然数 编辑

    而自然数只是等于0或比0大的整数(也就是0和正整数),所以自然数有无数个,通常用n表示。   

    【拼音】zì rán shù   

    【英译】natural number; whole number   

    即指:全体非负整数组成的集合 常用 N 来表示

    基本概念/自然数 编辑


    自然数,表示物体个数的数0、1、2、3、4、5、6、……叫自然数,简单说就是大于等于零的整数
    ..
    自然数的个数是无限的.

    基本特点/自然数 编辑

    用以计量事物的件数或表示事物次序的数。即用数码0,1,2,3,4,……所表示的。自然数由0开始,一个接一个,组成一个无穷集合。自然数集有加法和乘法运算,两个自然数相加或相乘的结果仍为自然数,也可以作减法或除法,但相减和相除的结果未必都是自然数,所以减法和除法运算在自然数集中并不是总能成立的。自然数是人们认识的所有数中最基本的一类。为了使数的系统有严密的逻辑基础,19世纪的数学家建立了自然数的两种等价的理论——自然数的序数理论基数理论,使自然数的概念、运算和有关性质得到严格的论述。

    基本定义/自然数 编辑

     序数理论意大利数学家G.皮亚诺提出来的。他总结了自然数的性质,用公理法给出自然数的如下定义:
    自然数集N是指满足以下条件的集合:①N中有一个元素,记作1。②N中每一个元素都能在N中找到一个元素作为它的后继者。③1不是任何元素的后继者。④不同元素有不同的后继者。⑤(归纳公理)N的任一子集M,如果1∈M,并且只要x在M中就能推出x的后继者也在M中,那么M=N。
    自然数,即1、2、3、4……或0、1、2、3、4……。其中,0是否为自然数目前没有定论。
    从历史上看,国内外数学界对于0是不是自然数历来有两种观点:一种认为0是自然数,另一种认为0不是自然数。建国以来,我国的中小学教材一直规定自然数不包括0。目前,国外的数学界大部分都规定0是自然数。为了方便于国际交流,1993年颁布的《中华人民共和国国家标准》(GB 3100-3102-93)《量和单位》(11-2.9)第311页,规定自然数包括0。所以在近几年进行的中小学数学教材修订中,教材研究编写人员根据上述国家标准进行了修改。即一个物体也没有,用0表示。0也是自然数。“0”是否包括在自然数之内存在争议,有人认为自然数为正整数,即从1开始算起;而也有人认为自然数为非负整数,即从0开始算起。目前关于这个问题尚无一致意见。不过,在数论中,多采用前者;在集合论中,则多采用后者。目前中小学教材中规定0为自然数。

    一般概念  /自然数 编辑

    自然数是一切等价有限集合共同特征的标记。   
    注:自然数就是我们常说的正整数和0。整数包括自然数,所以自然数一定是整数,且一定是非负整数。   
    但相减和 相除的结果未必都是自然数,所以减法和除法运算在自然数集中并不总是成立的。用以计量事物的件数或表示事物次序的数 。 即用数码0,1,2,3,4,……所表示的数 。表示物体个数的数叫自然数,自然数由0开始(包括0), 一个接一个,组成一个无穷集体。自然数集有加法和乘法运算,两个自然数相加或相乘的结果仍为自然数,也可以作减法或除法,但相减和相除的结果未必都是自然数,所以减法和除法运算在自然数集中并不是总能成立的。自然数是人们认识的所有数中最基本的一类,为了使数的系统有严密的逻辑基础,19世纪的数学家建立了自然数的两种等价的理论枣自然数的序数理论和基数理论,使自然数的概念、运算和有关性质得到严格的论述。   
    (序数理论是意大利数学家G.皮亚诺提出来的。他总结了自然数的性质,用公理法给出自然数的如下定义) 自然数集N是指满足以下条件的集合:
    ①N中有一个元素,记作1。
    ②N中每一个元素都能在 N 中找到一个元素作为它的后继者。③ 1是0的后继者。④0不是任何元素的后继者。
     ⑤不同元素有不同的后继者。
    ..
    ⑥(归纳公理)N的任一子集M,如果1∈M,并且只要x在M中就能推出x的后继者也在M中,那么M=N。   
    基数理论则把自然数定义为有限集的基数,这种理论提出,两个可以在元素之间建立一一对应关系的有限集具有共同的数量特征,这一特征叫做基数 。这样 ,所有单元素集{x},{y},{a},{b}等具有同一基数 , 记作1 。类似,凡能与两个手指头建立一一对应的集合,它们的基数相同,记作2,等等 。自然数的加法 、乘法运算可以在序数或基数理论中给出定义,并且两种理论下的运算是一致的。   
    自然数在日常生活中起了很大的作用,人们广泛使用自然数。自然数是人类历史上最早出现的数,自然数在计数和测量中有着广泛的应用。人们还常常用自然数来给事物标号或排序,如城市的公共汽车路线,门牌号码,邮政编码等。   
    自然数是整数(自然数包括正整数和零),但整数不全是自然数,例如:-1 -2 -3......是整数 而不是自然数。自然数是无限的。   
    全体非负整数组成的集合称为非负整数集,即自然数集。)   
    在数物体的时候,数出的1.2.3.4.5.6.7.8.9……叫自然数。自然数有数量、次序两层含义,分为基数、序数。 基本单位:1 计数单位:个、十、百、千、万、十万......   
    总之,自然数就是指大于等于0的整数。当然,负数、小数、分数等就不算在其内了。

    分类

    ①按能否被2整除分
    可分为奇数和偶数。
    1、奇 数:不能被2整除的数叫奇数。
    2、偶 数:能被2整除的数叫偶数。
    3、特别注意:0是偶数。(2002年国际数学协会规定,零为偶数.我国2004年也规定零为偶数。偶数可以除以2,0照样可以,只不过,得数依然是0而已,但是不可以说它(指0)没有缩小)。
    ②按因数数个数分
    可分为质数、合数和1  
    1、质 数:只有1和它本身这两个因数的自然数叫做质数。[质数也称作素数]  
    2、合 数:除了1和它本身还有其它的因数的自然数叫做合数。  
    3、1:只有1个因数。它既不是质数也不是合数。[当然0不能计算因数也一样是非质数、非合数]   
    注:是因数不是约数。

    关于自然数列/自然数 编辑

    数列1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,……n,称为自然数列。自然数列不包括0。   

    自然数列的通项公式an=n。   

    自然数列的前n项和Sn=n(n+1)/2。 Sn=na1+n(n-1)/2   

    自然数列本质上是一个等差数列,首项a1=1,公差d=1。

    应用 /自然数 编辑

    1、自然数列在“数列”,有着最广泛的运用,因为所有的数列中,各项的序号都组成自然数列。   

    任何数列的通项公式都可以看作:数列各项的数与它的序号之间固定的数量关系。   

    2、求n条射线可以组成多少个角时,应用了自然数列的前n项和公式   

    第1条射线和其它射线组成n-1个角,第2条射线跟余下的其它射线组成n-2个角,依此类推得到式子   

    1+2+3+4+……+n-1=n(n-1)/2   

    3、求直线上有n个点,组成多少条线段时,也应该了自然数列的前n项和公式   

    第1个点和其它点组成n-1条线段,第2个点跟余下的其它点组成n-2条线段,依此类推同样可以得到式子   

    1+2+3+4+……+n-1=n(n-1)/2

    争论/自然数 编辑

    古希腊人最早研究数字的抽象特性,例如是古希腊哲学家毕达哥拉斯和阿基米德的研究。当中毕达哥拉斯学派更把数视为宇宙之基本。[9] 有许多希腊数学家都不把1当成一个数,因而2就成了最小的数。在数学家欧几里得所着的《几何原本》中也有类似说法。

    19世纪末,集合论者给予了自然数几个较严谨的定义。据这些定义,把零对应于空集,包括于自然数内更为方便。逻辑论者及电算机科学家,接受集合论者的定义。而其他一些数学家,主要是数论学家,则依从传统把零拒之于自然数之外。

    在全球范围内,针对0是否属于自然数的争论依旧存在。

    在中国,2000年左右之前的中小学教材一般不将0列入自然数之内,或称其属于“扩大的自然数列”。在2000年左右之后的新版中小学教材中,普遍将0列入自然数。

    性质/自然数 编辑

    运算

    对自然数可以递归定义加法和乘法。其中,加法运算“+”定义为:

    a + 0 = a;
    a + S(x) = S(a+x), 其中,S(x)表示x的后继者。

    如果我们将S(0)定义为符号“1”,那么b + 1 = b + S(0) = S( b + 0 ) = S(b),即,“+1”运算可求得任意自然数的后继者。
    如此,便可得出交换幺半群(N,+),是由1生出的自由幺半群,其中幺元为0。此幺半群服从消去律,可嵌入一群内:最小的是整数群。
    同理,乘法运算“×”定义为:

    a × 0 = 0;
    a × S(b) = a × b + a
    (N,×)亦是交换幺半群;
    ×和+符合分配律:

    自然数的减法和除法可以由类似加法和乘法的逆的方式定义。

    带余除法

    对于两个自然数a,b,不一定有自然数c使得 。所以若用乘法的逆来定义除法,这个除法不能成为一个二元运算(即不符合封闭性,即使不允许除以0)。但我们可以用带余除法作为替代。

    现设a,b为自然数, ,则有自然数q和r使得a=bq+r且r<b。这里的q称为a除以b的商,r称为a除以b的余数。数对(q,r)是被a,b所唯一决定的。
    一个例子是 ,也就是 。这里a=62,b=7,q=8,r=6。
    带余除法在数论中有不少用途,比如说辗转相除法的基本步骤就是带余除法。

    当且仅当有自然数使得 。当 而a不等于b时,记作a<b。

    二元关系 在自然数集上符合:
    自反性:若a是自然数,则 ;
    反对称性:设a,b是自然数。若 且 ,则a=b;
    传递性:设a,b,c都是自然数。若 且 ,则 ;
    完全性:对于任意两个自然数a,b,有且只有下列两种关系之一: 或 。
    (或者等价的三分性:a<b,a=b,或a>b)
    因为符合以上的四种性质,所以 是一全序。
    事实上, 是一个良序集,即每个非空子集都有一个最小的自然数。此亦是最小数原理的陈述。
    此序也和加法及乘法兼容,即若a,b,c都是自然数且 ,则 及 。

    无限性

    自然数集是一个无穷集合,自然数列可以无止境地写下去。
    对于无限集合来说,“元素个数”的概念已经不适用,用数个数的方法比较集合元素的多少只适用于有限集合。为了比较两个无限集合的元素的多少,集合论的创立者德国数学家康托尔引入了一一对应的方法。这一方法对于有限集合显然是适用的,现推广到无限集合,即如果两个无限集合之间能建立一个一一对应,我们就认为这两个集合的元素是同样多的。对于无限集合,我们不再说它们的元素个数相同,而说这两个集合等势,或者说,这两个集合的基数相同。自然数集的基数是阿列夫零,记作。
    与有限集对比,无限集有一些特殊的性质,其一是它可能与自身的真子集有一一对应的关系,例如:
    0 1 2 3 4 … (自然数集)
    ↕ ↕ ↕ ↕ ↕
    1 3 5 7 9 …(奇数组成的集合)
    这就是说,这两个集合有同样多的元素,或者说,它们是等势的。大数学家希尔伯特曾用一个有趣的例子来说明自然数的无限性:如果一个旅馆只有有限个房间,当它的房间都住满了时,再来一个旅客,经理就无法让他入住了。但如果这个旅馆有无数个房间,也都住满了,经理却仍可以安排这位旅客:他把1号房间的旅客换到2号房间,把2号房间的旅客换到3号房间,……如此继续下去,就把1号房间腾出来了。
    和自然数集等势的集合有:
    由自然数的有限序列组成的集合

    整数集

    有理数集

    代数数集

    可数个可数集合的并集

    自然数集的势严格小於实数集的势,即两者间不能建立一一对应(详见对角论证法)。事实上,实数集的势是 ,即自然数集的幂集的势。

    分类/自然数 编辑

    奇偶性

    可分为奇数和偶数。
    1、奇数:不能被2整除的数叫奇数。
    2、偶数:能被2整除的数叫偶数。
    也就是说,一个自然数要麽是奇数,要麽就是偶数。
    注:0是偶数。

    因数个数

    可分为质数、合数、1和0。
    1、质数:只有1和它本身这两个因数的自然数叫做质数。也称作素数。
    2、合数:除了1和它本身还有其它的因数的自然数叫做合数。
    3、1:只有1个因数,就是它自身。它既不是质数也不是合数。
    4、0和1一样,既不是质数也不是合数。

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