Operações com Números Racionais
Os números racionais positivos foram muito utilizados no Egito em séculos antes de Cristo. Após anos como nômades, os homo sapiens iniciaram a revolução agrícola e com isso, a necessidade do uso dos números racionais. O uso eram em marcações de terras era a principal necessidade do uso destes números.
No rio Nilo as inundações de terras, forçavam a remarcação de terras. Desta forma, os números racionais foram utilizados para remarcar as terras.
Definição
Até o presente momento, pela história da matemática, notamos que os números racionais são representados por uma fração em que:
- o numerador é um inteiro $p\in \mathbb{Z}$.
- o denominador é um inteiro $q\in \mathbb{Z}$.
- o denominador é diferente de zero $q\neq 0$.
Sem perda de generalidade, vamos iniciar pela definição de números racionais positivos. Com isso, o conjunto dos números racionais pode ser escrito como:
Definição: Sejam $p$ e $q$ inteiros positivos com $q\neq 0$, então $\dfrac{p}{q}$ é um número racional positivo. Já o conjunto dos números racionais positivos é dada por:
$$\mathbb{Q} = \left\\{ \dfrac{p}{q}, \quad \text{com p e q inteiros positivos e q diferente de zero} \right\\}$$
Portanto, construímos nosso terceiro conjunto de números. A ordem de construção dos números foram:
- números naturais $\mathbb{N} = \\{0,1,2,3,\dots\\}$
- números inteiros $\mathbb{Z} = \\{\dots, -3,-2,-1,0,1,2,3,\dots\\}$
- números racionais $\mathbb{Q} = \left\\{\dots, -\dfrac{3}{2},-1, -\dfrac{1}{2}, 0,\dfrac{1}{2},1,\dfrac{3}{2},2,\dots \right\\}$
Outra forma de representar os números racionais
Na seção anterior, representamos um número racional como $\frac{p}{q}.$ Aqui vamos representar um número racional como a divisão da unidade em q partes iguais. Seja $p$ e $q$ inteiros positivos, tomamos $p$ partes da divisão da unidade:
$$p~.~\dfrac{1}{q} = \dfrac{p}{q}$$em que $p$ é o número de partes da divisão da unidade que pode ser vista como:
$$p~.~\dfrac{1}{q} = \dfrac{1}{q} + \dfrac{1}{q} + \dots + \dfrac{1}{q} \qquad p\text{ vezes}$$Exemplo 1: As representações de $1$ e $\dfrac{1}{3}$ são:
Exemplo 2: A representação de $\dfrac{2}{3}$ é:
$$2~.~\dfrac{1}{3} = \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{3} =\dfrac{2}{3}$$
Frações Equivalentes
Em certas ocasiões, podemos obter frações equivalentes. Pelo princípio da balança podemos obter essas frações equivalentes.
Exemplo 3: frações equivalentes:
| $$\dfrac{3}{5}$$ | $$\dfrac{6}{10}$$ |
|---|---|
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|
Essas são frações equivalentes?
De fato, vale lembrar que $\dfrac{2}{2}=1$
$$\dfrac{3}{5} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{3}{5} \dfrac{ {\color{red}{\times 2} } }{ {\color{red}{\times 2} } } = \dfrac{6}{10}$$Definição: Sejam $p$, $q$, $a$ e $b$ inteiros positivos, então $\dfrac{p}{q}$ é uma fração equivalente a $\dfrac{a}{b}$ se e somente se $\dfrac{p}{q}=\dfrac{a}{b}$.
Do exemplo 3, note que::
$$\dfrac{6}{10} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{6}{10} \dfrac{ {\color{red}{\div 2} } }{ {\color{red}{\div 2} } } = \dfrac{3}{5}$$Portanto, relamente são equivalentes.
Soma de frações
Em soma de frações, a primeira regra é que o denominador deve ser o mesmo. Observe o exemplo:
$$\dfrac{3}{5} + \dfrac{1}{5} = \dfrac{4}{5}$$E quando os denominadores são diferentes?
Método 1: Balança
O próximo passo é deixar o mesmo denominador para as duas frações. Para isto, podemos usar o método da balança.
$$\dfrac{3}{5} + \dfrac{1}{3} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{3}{5} \dfrac{ {\color{red}{\times 3} } }{ {\color{red}{\times 3} } } + \dfrac{1}{3} \dfrac{ {\color{red}{\times 5} } }{ {\color{red}{\times 5} } } = \dfrac{9}{15} + \dfrac{5}{15} = \dfrac{14}{15}$$De forma geral, temos:
$$\dfrac{p}{q} + \dfrac{a}{b} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{p}{q} \dfrac{ {\color{red}{\times b} } }{ {\color{red}{\times b} } } + \dfrac{a}{b} \dfrac{ {\color{red}{\times q} } }{ {\color{red}{\times q} } } = \dfrac{p ~.~b}{q~.~b} + \dfrac{a~.~q}{q~.~b} = \dfrac{pb + aq}{qb}$$com $q, b$ diferente de zero,
Método 2: Mínimo múltiplo comum
O método do mínimo múltiplo comum é feito da seguinte forma:
$$\dfrac{3}{5} + \dfrac{1}{3}$$Agora vamos calcular o mínimo múltiplo comum entre os denominadores:
$$\mathcal{D}(3)=\\{3,6,9,12,{\color{red}{15} },18,\dots\\}$$$$\mathcal{D}(5)=\\{5,10,{\color{red}{15} },20\dots\\}$$
$$mmc(3,5) = \min \\{\mathcal{D}(3)\cap \mathcal{D}(5)\\} = 15$$
Logo o mínimo múltiplo comum entre os denominadores é 15. Assim, podemos fazer a soma:
$$\dfrac{3}{5} + \dfrac{1}{3}= \dfrac{3 {\color{red}{\times 3} } }{15} + \dfrac{1 {\color{red}{\times 5} } }{15} = \dfrac{9}{15} + \dfrac{5}{15} =\dfrac{14}{15}$$Subtração de frações
Em subtração de frações, a primeira regra é que o denominador deve ser o mesmo. Observe o exemplo:
$$\dfrac{3}{5} - \dfrac{1}{5} = \dfrac{2}{5}$$E quando os denominadores são diferentes?
Método 1: Balança
O próximo passo é deixar o mesmo denominador para as duas frações. Para isto, podemos usar o método da balança.
$$\dfrac{3}{5} - \dfrac{1}{3} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{3}{5} \dfrac{ {\color{red}{\times 3} } }{ {\color{red}{\times 3} } } - \dfrac{1}{3} \dfrac{ {\color{red}{\times 5} } }{ {\color{red}{\times 5} } } = \dfrac{9}{15} - \dfrac{5}{15} = \dfrac{4}{15}$$De forma geral, temos:
$$\dfrac{p}{q} - \dfrac{a}{b} \overset{\text{balança} }{=} \dfrac{p}{q} \dfrac{ {\color{red}{\times b} } }{ {\color{red}{\times b} } } - \dfrac{a}{b} \dfrac{ {\color{red}{\times q} } }{ {\color{red}{\times q} } } = \dfrac{p ~.~b}{q~.~b} - \dfrac{a~.~q}{q~.~b} = \dfrac{pb - aq}{qb}$$com $q, b$ diferente de zero,
Método 2: Mínimo múltiplo comum
O método do mínimo múltiplo comum é feito da seguinte forma:
$$\dfrac{3}{5} - \dfrac{1}{3}$$Agora vamos calcular o mínimo múltiplo comum entre os denominadores:
$$\mathcal{D}(3)=\\{3,6,9,12,{\color{red}{15} },18,\dots\\}$$$$\mathcal{D}(5)=\\{5,10,{\color{red}{15} },20\dots\\}$$
$$mmc(3,5) = \min \\{\mathcal{D}(3)\cap \mathcal{D}(5)\\} = 15$$
Logo o mínimo múltiplo comum entre os denominadores é 15. Assim, podemos fazer a soma:
$$\dfrac{3}{5} - \dfrac{1}{3}= \dfrac{3 {\color{red}{\times 3} } }{15} - \dfrac{1 {\color{red}{\times 5} } }{15} = \dfrac{9}{15} - \dfrac{5}{15} =\dfrac{4}{15}$$Multiplicação de frações
Em multiplicação de frações, a única regra para o denominador é que o número seja diferente de zero. Observe o exemplo:
$$\dfrac{1}{3} ~.~ \dfrac{1}{2} = \dfrac{1 ~.~ 1}{3~.~2}= \dfrac{1}{6}$$De forma geral, temos:
$$\dfrac{p}{q} ~.~ \dfrac{a}{b} = \dfrac{p ~.~ a}{q~.~b}$$Divisão de frações
Em divisão de frações, a única regra para o denominador é que o número seja diferente de zero. Observe o exemplo:
$$\dfrac{1}{3} ~\div~ \dfrac{1}{2} = \dfrac{\dfrac{1}{3} }{\dfrac{1}{2} }= \dfrac{\dfrac{1}{3} {\color{red}{\times 2} } }{\underbrace{\dfrac{1}{2} {\color{red}{\times 2} } }_{=1} } = \dfrac{\dfrac{2}{3} }{1} = \dfrac{2}{3}$$De forma geral, temos:
$$\dfrac{p}{q} ~\div~ \dfrac{a}{b} = \dfrac{\dfrac{p}{q} {\color{red}{\times \dfrac{b}{a} } } }{ \underbrace{\dfrac{a}{b} {\color{red}{\times \frac{b}{a} } } }_{1} } = \dfrac{p }{q}~.~ \dfrac{b}{a}$$