Координатная прямая (числовая прямая), координатный луч

В этой статье мы определим координатный луч и координатную прямую. Сначала изобразим координатный луч и опишем, что он из себя представляет. Далее перейдем к координатной прямой, остановимся на взаимно однозначном соответствии между точками координатной прямой и действительными числами, откуда станет понятно, почему координатную прямую называют числовой прямой. В заключении поговорим о координатах точек на координатной прямой.

Прежде чем переходить дальше, нужно иметь представление о точке и прямой, а также знать геометрическую фигуру луч.

Координатный луч

Чтобы определить координатный луч, нам сначала потребуется, конечно же, сам луч. Итак, построим луч, обозначим его OX, точка O – начало луча. Забегая вперед, скажем, что точку O называют началом отсчета координатного луча. Луч можно изображать в любом направлении, однако во многих случаях луч проводят горизонтально и вправо от его начала.

Так у нас есть луч. Как же его сделать координатным лучом?

Во-первых, над точкой O нужно написать число 0.

Во-вторых, нужно задать так называемый единичный отрезок. Для этого на луче нужно отметить какую-нибудь точку, отличную от точки O (на этом месте принято ставить не точку, а штрих), и над штрихом записать число 1.

В-третьих, на луче от конца единичного отрезка нужно отложить еще один отрезок, равный единичному, далее от конца этого отрезка нужно отложить еще один единичный отрезок, от конца построенного отрезка нужно отложить еще один единичный отрезок, и так далее.

Наконец, чтобы координатный луч принял законченный вид, осталось записать над штрихами слева направо числа из натурального ряда чисел: 2, 3, 4, …

Так координатный луч представляет собой не что иное, как бесконечную шкалу.

Следует заметить, что очень часто координатный луч изображают лучом с началом в точке O, и откладывают от его начала единственный единичный отрезок, над концами которого записывают числа 0 и 1. Этот вариант изображения координатного луча приведен на рисунке ниже.

В этом случае подразумевается, что мы при необходимости можем легко продолжить построение шкалы, последовательно откладывая единичные отрезки на луче.

Также допускается буквы O и X записывать над лучом, а числа – под лучом.

Наконец, не удивляйтесь, если в обозначении координатного луча Вы увидите одновременно и маленькую и большую буквы. Наиболее часто придется сталкиваться с координатными лучами, обозначенными как Ox, Oy и Oz.

Координатная прямая

Координатную прямую очень легко построить, если Вы хорошо усвоили принцип изображения координатного луча, о котором мы говорили в предыдущем пункте. Сделаем это.

Пусть перед нами находится координатный луч OX. Придадим ему положительное направление, указав его стрелочкой.

Теперь проведем луч с началом в точке O, дополняющий луч OX до прямой.

На этом луче отметим штрихи, откладывая друг за другом единичные отрезки справа налево, начиная с точки O.

После того как над штрихами справа налево от точки O мы запишем числа -1, -2, -3, …, координатная прямая примет законченный вид.

На практике чаще используется координатная прямая, на которой отмечено лишь начало отсчета и единичный отрезок, то есть, координатная прямая одного из следующих видов.

Итак, координатная прямая – это прямая, на которой выбрано начало отсчета, указан единичный отрезок и задано направление.

Взаимно однозначное соответствие между точками координатной прямой и действительными числами

Нам известно, что на данной прямой линии лежит бесконечно много точек. Не является исключением и координатная прямая – она также содержит бесконечно много точек. Между точками координатной прямой и действительными числами существует очень важная связь, которую называют взаимно однозначным соответствием. Эта связь выражается следующим утверждением: каждой точке координатной прямой соответствует единственное действительное число, а каждому действительному числу соответствует единственная точка на координатной прямой.

Озвученное утверждение, несомненно, нуждается в пояснении.

Отметим какую-нибудь точку на координатной прямой. Какое действительное число ей соответствует?

Если эта точка совпадает с началом отсчета (точкой O), то будем считать, что ей отвечает число нуль.

Если эта точка не совпадает с началом отсчета, то от точки O будем друг за другом последовательно откладывать единичные отрезки, пока не попадем в отмеченную точку. Если это произошло, то будем считать, что этой точке соответствует число, записанное над ней. Например, на рисунке ниже в точку М мы попадаем, отложив три единичных отрезка в отрицательном направлении, этой точке соответствует число -3.

Если же откладывание единичных отрезков на координатной прямой не приводит нас в отмеченную точку, то будем откладывать не только единичные отрезки, но и отрезки, составляющие одну десятую долю единичного отрезка, а при необходимости одну сотую долю, одну тысячную долю и так далее. На рисунке ниже в точку М мы попали, отложив в положительном направлении 1 единичный отрезок и 4 отрезка, составляющих десятую долю единичного отрезка. Этой точке соответствует рациональное число 1,4. А если на координатной прямой отложить в отрицательном направлении 17 единичных отрезков, 3 отрезка, составляющих сотую долю единичного, и 9 отрезков, составляющих стотысячную долю единичного, то мы попадем в точку, которой будет соответствовать число, противоположное числу 17,03009, то есть -17,03009 (при необходимости обращайтесь к материалу статьи противоположные числа).

Так единичный отрезок и его десятая, сотая и так далее доли позволяют нам попасть в точки координатной прямой, которым будут соответствовать конечные десятичные дроби (как в предыдущем примере). Однако на координатной прямой существуют точки, в которые мы не можем попасть, но к которым мы можем подойти сколь угодно близко, использую все меньшие и меньшие до бесконечно малой доли единичного отрезка. Этим точкам соответствуют бесконечные периодические и непериодические десятичные дроби. Приведем несколько примеров. Одной из таких точек на координатной прямой соответствует число 3,711711711…=3,(711). Чтобы подойти к этой точке нужно отложить 3 единичных отрезка, 7 его десятых долей, 1 сотую долю, 1 тысячную, 7 десятитысячных долей, 1 стотысячную, 1 миллионную долю единичного отрезка и так далее. А еще одной точке координатной прямой отвечает иррациональное число пи (π=3,141592…).

Так как элементами множества действительных чисел являются все числа, которые можно записать в виде конечных и бесконечных десятичных дробей, то вся вышеизложенная в этом пункте информация позволяет утверждать, что каждой точке координатной прямой мы поставили в соответствие конкретное действительное число, при этом понятно, что разным точкам соответствуют разные действительные числа.

Также достаточно очевидно, что это соответствие является взаимно однозначным. То есть, мы можем указанной точке на координатной прямой поставить в соответствие действительное число, но мы также можем по данному действительному числу указать конкретную точку на координатной прямой, которой отвечает данное действительное число. Для этого нам придется отложить от начала отсчета в нужном направлении определенное количество единичных отрезков, а также десятых, сотых и так далее долей единичного отрезка. Например, числу 703,405 отвечает точка на координатной прямой, в которую из начала отсчета можно попасть, отложив в положительном направлении 703 единичных отрезка, 4 отрезка, составляющих десятую долю единичного, и 5 отрезков, составляющих тысячную долю единичного.

Итак, каждой точке на координатной прямой отвечает действительное число, и каждое действительное число имеет свое место в виде точки на координатной прямой. Вот почему координатную прямую очень часто называют числовой прямой.

Мимоходом заметим, что точкам, лежащим правее начала отсчета на числовой прямой, соответствуют положительные числа, а точкам, лежащим левее начала отсчета, — отрицательные. Подробнее об этом написано в статье положительные и отрицательные числа.

Координаты точек на координатной прямой

Число, соответствующее точке на координатной прямой, называется координатой этой точки.

В предыдущем пункте мы сказали, что каждому действительному числу соответствует единственная точка на координатной прямой, поэтому, координата точки однозначно определяет положение этой точки на координатной прямой. Иными словами, координата точки однозначно задает эту точку на координатной прямой. С другой стороны каждой точке на координатной прямой соответствует единственное действительное число – координата этой точки.

Осталось сказать лишь о принятых обозначениях. Координату точки записывают в круглых скобках справа от буквы, которой обозначена точка. Например, если точка М имеет координату -6, то можно записать М(-6), а запись вида  означает, что точка М на координатной прямой имеет координату .