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Dezimalentwicklung rationaler Zahlen (periodisch)

1585
Mathematician's desk with notes on decimal expansion of rational numbers, 16th century.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine reelle Zahl ist genau dann rational, wenn ihre Dezimaldarstellung periodisch ist. Das bedeutet, dass sich die Ziffernfolge nach einer endlichen Anzahl von Ziffern unendlich oft wiederholt. Dieser sich wiederholende Teil wird Periode genannt. Zum Beispiel: 1/3 = 0,333 (Periode: 3) und 3/7 = 0,428571428571 (Periode: 428571). Abbrechende Dezimalzahlen sind ein Sonderfall; hier ist die Periode 0.

Der Zusammenhang zwischen rationalen Zahlen und periodischen Dezimaldarstellungen ist ein fundamentales Ergebnis der Zahlentheorie. rationale Zahl p/q kann in eine Dezimalzahl umgewandelt werden, indem man p durch q schriftlich dividiert. Da es nur q mögliche Reste gibt (0 bis q-1), wiederholt sich die Restfolge irgendwann. Sobald sich ein Rest wiederholt, wiederholt sich auch die Ziffernfolge im Ergebnis, wodurch eine periodische Entwicklung entsteht.

Umgekehrt lässt sich jede periodische Dezimalzahl in einen Bruch umwandeln. Bei einer endlichen Dezimalzahl ist die Umwandlung einfach (z. B. 0,75 = 75/100 = 3/4). Bei einer periodischen Dezimalzahl verwendet man algebraische Umformungen. Sei beispielsweise x = 0,333. Dann ist 10x = 3,333. Subtrahiert man die erste Gleichung von der zweiten, erhält man 9x = 3, also x = 3/9 = 1/3. Ein ähnliches Verfahren funktioniert für jede periodische Dezimalzahl.

Diese Eigenschaft ermöglicht eine klare Unterscheidung zwischen rational und irrational Irrationale Zahlen wie π oder √2 haben nicht abbrechende und nicht periodische Dezimaldarstellungen. Die Periodenlänge einer rationalen Zahl p/q (gekürzt) hängt mit den Primfaktoren des Nenners q zusammen. Genauer gesagt, ist die Periodenlänge die Größenordnung von 10 modulo q', wobei q' der zu 10 teilerfremde Teil von q ist.

UNESCO Nomenclature: 1101
– Algebra, Zahlentheorie und Gruppentheorie

Typ

Abstraktes System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Erfindung des Dezimalsystems
  • Entwicklung des schriftlichen Divisionsalgorithmus
  • Einführung von Dezimalbrüchen durch Simon Stevin
  • Studium der modularen Arithmetik

Anwendungen

  • Algorithmen zur Umwandlung von Brüchen in Dezimalzahlen in Taschenrechnern und Computern
  • Erkennung rationaler Zahlen in der numerischen Analysis
  • Kryptographie basierend auf den Eigenschaften periodischer Folgen
  • Informatik zum Verständnis der Grenzen der Gleitkommadarstellung

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • ein System zur Erzeugung sicherer Pseudozufallszahlen basierend auf den langen, nicht offensichtlichen Perioden bestimmter rationaler Brüche
  • eine digitale Wasserzeichentechnik, die Daten in den periodischen Dezimalteil numerischer Werte in einer Datei einbettet
  • ein Fehlererkennungscode für die Datenübertragung, der Eigenschaften von Dezimalperioden nutzt.
  • Eine Methode der musikalischen Synthese, die komplexe Klangfarben aus periodischen Wellenformen erzeugt, die aus Dezimaldarstellungen abgeleitet werden.
  • ein fraktaler Generierungsalgorithmus, bei dem die Parameter durch die Perioden rationaler Zahlen gesteuert werden.
  • eine Datenspeichermethode mit hoher Dichte, die Informationen in die Wahl der Basis und die daraus resultierende periodische Darstellung einer Menge rationaler Zahlen kodiert.
  • Eine Lernsoftware, die den Zusammenhang zwischen schriftlicher Division und periodischen Dezimalzahlen visuell veranschaulicht.
  • ein System zur Erkennung von Finanzbetrug, das Zahlen mit verdächtig einfachen Dezimaldarstellungen kennzeichnet, wo eigentlich komplexe erwartet werden.
  • ein Komprimierungsalgorithmus für numerische Datensätze durch Identifizierung und Speicherung sich wiederholender Dezimalmuster
  • a method for authenticating digital documents by embedding a hash as a specific repeating decimal in a document’s metadata
Verwandte Themen: Dezimaldarstellung, periodischer Dezimalbruch, periodischer Dezimalbruch, rationale Zahl, Bruch, schriftliche Division, Zahlentheorie, Periode, endlicher Dezimalbruch irrationale Zahl.

Historischer Kontext

Dezimalentwicklung rationaler Zahlen (periodisch)

-300
-450
1585
1779
1799
1801
1850
1875
-300
-550
1750
1790
1800
1844
1874

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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