等值比

分数与小数

děng zhí bǐ

等值比是表示数量之间相同关系的比,通过把两项同时乘以或除以同一个非零数得到。

Formula

a:b = (an):(bn) \text{ for any nonzero } n
Visualization

Definition

等值比是表示相同关系的比,只是用不同的数字写出来,通过把两个数同时乘以或除以相同的值创造出来。形式上,两个比$a:b$和$c:d$等值当且仅当$a/b = c/d$,等价地当$ad = bc$时;比例关系中的每一个比都与其他每一个比等值,画出满足$y/x = k$的等值数对$(x,y)$会描出一条通过原点的直线$y = kx$。在$\mathbb{Q}$中,等值比构成等价类$[a:b] = \{(na):(nb) : n \in \mathbb{Q}, n \neq 0\}$,恰好是有理数的等价类;在射影空间$\mathbb{P}^1$中,这些等值比$[a:b]$成为齐次坐标,其中有意义的量是比本身,而不是单个的值。

Example

$2:3$与$4:6$、$6:9$和$10:15$等值;一个用$2$杯面粉配$3$杯糖的食谱可以加倍($4:6$)、加三倍($6:9$),或减半($1:1.5$),全都是描述同一种"配比"的等值比。$3:5$的比率表列出$(3,5)$、$(6,10)$、$(9,15)$、$(12,20)$、$(15,25)$,每一行都共享相同的$y/x = 5/3$值,把两行相加,如$(3+6, 5+10) = (9,15)$,也会落在表中已有的一行上。在射影几何中,$[1:2]$、$[3:6]$和$[-2:-4]$都是同一个射影点,一旦加上无穷远点$[1:0]$,"直线"$\mathbb{P}^1(\mathbb{R})$在拓扑上就是一个圆。

Key Insight

等值比就像是两个事物之间比较所用的等值分数:尽管实际数字不同,它们都描述着同一种"配比"或"速率"。比率表是从图像上理解比例关系的入口,每一行都是直线$y = kx$上的一个点,利用等值比找出任何缺失值的能力,是代数中所有比例推理的基础。比的等价类视角把分数、比、比例式、单位比率和射影坐标统一成一个单一的代数概念,这正是从$\mathbb{Z}$构造出$\mathbb{Q}$所需的同一种概念飞跃,这一抽象代数中的基础思想,正是从最初等的分数事实开始的。