区间(数学概念)
在数学里,区间通常是指这样的一类实数集合:如果x和y是两个在集合里的数,那么,任何x和y之间的数也属于该集合。例如,由符合0≤x≤1的实数所构成的集合,便是一个区间,它包含了0、1,还有0和1之间的全体实数。其他例子包括:实数集,负实数组成的集合等。 区间在积分理论中起着重要作用,因为它们作为最"简单"的实数集合,可以轻易地给它们定义"长度"、或者说"测度"。然后,"测度"的概念可以拓,引申出博雷尔测度,以及勒贝格测度。 区间也是区间算术的核心概念。区间算术是一种数值分析方法,用于计算舍去误差。 区间的概念还可以推广到任何全序集T的子集S,使得若x和y均属于S,且x<z<y,则z亦属于S。例如整数区间[-1...2]即是指{-1,0,1,2}这个集合。
区间
interval
新制订的ISO 80000-2
数学领域
()和[]
数学术语
区间算术的核心概念
记号
通用的区间记号中,圆括号表示“排除”,方括号表示“包括”。例如,区间(10,20)表示所有在10和20之间的实数,但不包括10或20。另一方面,[10,20]表示所有在10和20之间的实数,以及10和20。而当我们任意指一个区间时,一般以大写字母I记之。
有的国家是用逗号来代表小数点,为免产生混淆,分隔两数的逗号要用分号来代替。例如
[1,2.3]
就要写成[1;2,3]
。否则,若只把小数点写成逗号,之前的例子就会变成[1,2,3]
了。这时就不能知道究竟是1.2与3之间,还是1与2.3之间的区间了。在法国及其他一些欧洲国家,是用]与[代替(与)比如
写成写成]1,2[,这种写法原先也包括在国际标准化组织编制的ISO31-11内。ISO31-11是一套有关物理科学及科技中所使用的数学符号的规范。在2009年,已由新制订的ISO80000-2所取替,不再包括]与[的用法。定义
用集合的语言,我们定义各种区间为:
注意均是代表空集,单元素集合不能用区间表示,如集合{0}不能表示为或[0,0]。而当a>b时,上述的四种记号一般都视为代表空集。区间不为空集时,a,b称为区间的端点。一般定义b-a为区间的长度。区间的中点则为区间[a,b]有时也称为线段。(不为空集或单元素集的话)
除了表示区间,圆括号和方括号也有其他用法,视乎语境而定。譬如
也可表示集合论中的有序对丶解析几何中点的坐标,线性代数中向量的坐标,有时也用来表示一个复数,有时在数论中,用 表示整数的最大公约数。也偶尔用作表示有序对,尤其在计算机科学的范畴里。同样在数论里,用 表示整数 的最小公倍数。有部分作者以
来表示区间 在实数集里的补集,即是包含了小于或等于a的实数,以及大于或等于b的实数。无限区间
我们可以用
符号来表示区间在某方向上无界。具体定义如下:特别地,表示正实数集,亦记作。则表示了非负实数集。如果区间是单侧无界,也称为射线或半直线。如果它包含有限端点,则称其为闭射线或闭半直线。如果不包含有限端点,则称其为开射线或开半直线。
一般使用的便是以上五种记号,而
等的写法则相当少见。有的作者假定区间为实数集的子集,对于他们来说,这些写法要麽是无意义,要麽就是跟用圆括号的意思没两样。在後者的情况下,我们可以写作。于是实数集可被视为又开又闭的区间。如果我们考虑扩展的实数轴,那么这四种写法是有数的区间。
一般而言,对于整数a,b,具体写作:
。除了[a..b],也有{a..b}和a..b的写法,意思一样。
[a..b]的记号被用于一些程式语言,例如Pascal和Haskell。
如果一个整数区间是有界的话,那麽它必然包含最小数a和最大数b。因此,如果想定义去掉最小数或最大数的区间,只需用[a..b-1],[a+1..b]或[a+1..b-1]表示。无需像实数区间般引进[a..b)或(a..b)的记号。
分类
实数区间一共可分成11种,如下所列。其中a,b是实数,且a
1.
空集
:2.
退化区间
(degenrateinterval):有界区间
3.闭区间:
4.开区间:
5.左闭右开区间:
6.左开右闭区间:
单侧无界
有下界但无上界:
7.左闭:
8.左开:
有上界但无下界:
9.右闭:
10.右开:
11.
双侧无界
:#1、#4、#8、#10、和#11可称为“开区间”(标准拓扑下是开集),#1、#2、#3、#7、#9和#11可称为“闭区间”(标准拓扑下是闭集)。#3和#4有时称为“半开区间”或“半闭区间”。#1和#11同时为“开”和“闭”,并非“半开”、“半闭”。
表示法
区间表示法是指在实数线上,以视觉化的方式表示出一个区间的范围。亦指以区间形式给出(含有一个未知数x的)不等式的解集。
性质
上述的各种区间正是实数轴上的全体连通子集。由此可推得,一个区间在连续函数下的像也是一个区间,这是介值定理的另外一个表述。
区间也恰好涵盖了实数集的所有凸的子集。另,设X是
的一个子集,如果Y是包含X的最小闭区间(即如果Z是另一个包含X的闭区间,Y也包含于Z),便是Y的凸包。实际上,任意一组区间的交集仍然是区间。两个区间的并集是区间,当且仅当它们的交集非空,又或者一个区间所不包含的端点,恰好是另一个区间包含的端点。例如:
如果把
当作度量空间,它的开球便是区间(r为正数),闭球便是区间定义推广
多维区间
一个n维区间可定义为
的子集,其为n个区间的笛卡尔积,即时,一般来说是定义了一个长方形,它的长和阔分别平行于两条坐标轴。时,一般的是定义了一个长方体,它的各边同样是平行于坐标轴。复数区间
复数的区间可定义成复平面上的一个区域,两种合理的选择是长方形或圆盘。
算法
区间算术又称区间数学、区间分析、区间计算,在1950、60年代引进以作数值分析上计算舍去误差的工具。
区间算术的基本运算是,对于实数线上的子集及:被一个包含零的区间除,在基础区间算术上无定义。区间算术的加法和乘法符合交换律、结合律和子分配律:集
是的子集。