有限小数

分数与小数

yǒu xiàn xiǎo shù

有限小数是在有限位数字后就结束的小数,例如0.25或3.125。

Definition

有限小数是在若干位数字后就停止,而不是永远延续下去的小数:例如$0.5$、$0.25$、$3.75$、$0.125$。最简形式的分数$a/b$能产生有限小数当且仅当$b$除了$2$和$5$以外没有其他质因数,也就是$b = 2^m \cdot 5^n$($m, n$为非负整数),此时小数在$\max(m, n)$位后终止,因为$10 = 2 \times 5$意味着$b$总能整除$10$的某个幂。更一般地,最简形式的有理数$p/q$在$b$进制下终止当且仅当$q$的每个质因数都能整除$b$;在$2$进制(二进制)中,只有分母是$2$的幂的分数才能终止,这正是为什么$10$进制中的$0.1$($=1/10$)无法在二进制中精确表示的原因。

Example

$1/2 = 0.5$($1$位后终止)、$1/4 = 0.25$($2$位后终止)、$1/8 = 0.125$($3$位后终止)都是有限小数。检验$7/40$:由于$40 = 2^3 \times 5$,它在$\max(3,1) = 3$位后终止,$7/40 = 175/1000 = 0.175$;但$1/6$的$6 = 2 \times 3$,质因数$3$的存在意味着它会循环,$0.1666\ldots = 0.1\overline{6}$。所用的进制也很重要:在$12$进制(十二进制,$12 = 2^2 \times 3$)中,$1/3 = 0.4$能终止,而$1/5$则会循环,与$10$进制(十进制)中发生的情况恰恰相反。

Key Insight

能够终止的分数,其(最简形式下的)分母只含有质因数$2$和$5$,由于我们的十进制系统是由$2 \times 5$构建的,只有这两个质因数能"完美嵌入"十进制;要预判一个分数是否终止,你只需检验化简后的分母,这比实际做长除法能提供更多信息。这种终止条件揭示了算术与数字进制结构之间的一种深刻联系:对日常算术而言,"更好"的进制可能是$12$进制(能被$2, 3, 4, 6$整除),因为更多常见的分数会终止,这是十二进制($12$进制)算术支持者提出的一个历史性论点。