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小数を見れば有理数かどうかわかる、循環するか終わるかの二択

桁でくり返し、 は 3 桁で終わります。

有理数の小数は、この 2 通りしかありません。終わるか、くり返すか。 のようにどちらでもない小数が、無理数です[1]

割り算の余りは有限通り

を筆算で進めます。現れる余りは の 6 通りで、次にまた に戻る。

余りとして出てくるのは から の 7 通りだけ。同じ余りが 2 度現れたら、そこから先はまったく同じ計算のくり返しになります。

くり返す長さは、余りの種類より短くなります。 なら最大 桁で、実際に 桁。

一般に の循環の長さは 以下です。 桁で戻ります。

終わる小数の条件

余りが になれば、そこで割り算は止まります。小数が有限桁で終わる場合です。

既約分数の分母が だけでできているとき、そしてそのときに限って終わります[1]

なので、分母を のべきに直せるかどうかが分かれ目になる。

の分母は なので終わります。 が混じるため、くり返す。

で終わり、。既約にしてから分母を見るのが大切です。

循環小数を分数に直す

とします。循環の長さが なので、 倍して差をとる[3]

引くと で、。循環する部分がきれいに消えました。

例:循環が途中から始まる場合

とします。循環しない桁が 2 つあります。

先に 倍して循環の直前まで送り、さらに 倍したものと差をとる。

なので 。約分後の分母 が残ります。

例:0.999… は 1

とすると 。差をとると

近づくのではなく、等しい。 は、同じ数の別の書き方です。

の両辺を 3 倍しても同じ式が出ます。

循環小数を分数に直す手順は、循環の長さだけ 10 倍することに尽きます。

長さが なら 倍。引くと循環部分が打ち消し合い、分母は 個並ぶ形になる。

無理数の小数

無理数は、終わりもせず、くり返しもしません[2] の桁に周期はない。

もし循環していたら、上の手順で分数に直せてしまいます。 が分数で書けないことに反する。

も同じです。桁がどこまでも規則なく続きます。

有理数

小数が有限桁で終わるか、途中からくり返す

無理数

終わらず、くり返しもしない。分数に直せない

例:作られた無理数

という数を考えます。 の間に を 1 個、2 個、3 個と増やしていく形。

終わらないのは明らかで、くり返しもしません。 の並びが伸び続けるためです[2]

有理数でもなく、根号を使って書ける数でもない。無理数は根号の付いた数だけではありません。

を既約分数で表すとどれですか。

__RESULT__

から で約分して です。既約にするところまでが答えになります。

小数を見て、終わるか、くり返すか、どちらでもないか。この 3 択で有理数と無理数が分かれます。

参考

Repeating decimal - Wikipedia
Irrationale Zahl - Wikipedia
Développement décimal périodique - Wikipédia
$\frac{1}{7} = 0.142857142857\ldots$ は 6 桁でくり返し、$\frac{1}{8} = 0.125$ は 3 桁で終わります。有理数の小数はこの 2 通りしかありません。$1 \div 7$ の余りが 7 通りしかないので、いつか必ず重なってくり返しが始まる。既約分数の分母が $2$ と $5$ だけなら終わり、ほかの素因数が混じればくり返します。$0.\overline{21}$ を $\frac{7}{33}$ に直す手順、循環が途中から始まる $0.12\overline{3}$ の扱い、$0.\overline{9}$ が $1$ に等しいこと、$\sqrt{2}$ の桁に周期がない理由まで扱いました。