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실수의 구성

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1. 개요

실수의 구성은 실수 집합이 만족하는 체 공리, 순서 공리, 완비성 공리를 기반으로 한다. 실수는 여러 가지 방법으로 구성될 수 있으며, 코시 수열, 데데킨트 절단, 십진법 전개, 초실수, 초현실수, 정수 집합을 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 구성 방법들은 모두 동형이며, 실수의 유일성을 보장한다. 또한, 알프레드 타르스키는 4개의 기본 개념과 8개의 공리를 사용하여 실수를 공리화했다.

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실수의 구성
개요
실수의 구성
목적실수를 엄밀하게 정의하고, 그 성질을 공리로부터 유도함
방법기존의 수 체계 (예: 유리수)를 이용하여 실수를 구성
코시 수열, 데데킨트 컷 등 다양한 방법 존재
코시 수열을 이용한 구성
정의유리수 코시 수열들의 동치류로 실수를 정의
연산코시 수열들의 극한 연산을 통해 실수 연산 정의
장점직관적이고 이해하기 쉬움
단점동치 관계 정의 및 증명이 복잡
데데킨트 컷을 이용한 구성
정의유리수의 데데킨트 컷(아래쪽 집합)으로 실수를 정의
연산집합 연산을 통해 실수 연산 정의
장점완비성 증명이 비교적 간단
단점추상적이고 이해하기 어려움
역사
창시자게오르크 칸토어, 리하르트 데데킨트, 샤를 메레
배경미적분학의 엄밀한 기초 확립 필요성
중요성
수학적 엄밀성실수의 엄밀한 정의를 제공하고, 수학적 논리의 기초를 강화함
해석학해석학의 모든 정리 증명의 기반이 됨
참고
관련 항목실수
코시 수열
데데킨트 컷
해석학

2. 실수 공리

실수는 공리, 순서 공리, 완비성 공리의 세 가지 공리를 만족하는 수 체계이다.


  • 체 공리: 덧셈곱셈 연산의 성질을 규정한다.
  • 결합법칙: 임의의 실수 x, y, z에 대해, (x+y)+z=x+(y+z)(x \times y) \times z=x \times (y \times z)가 성립한다.
  • 교환법칙: 임의의 실수 x, y에 대해, x+y=y+xx \times y = y \times x가 성립한다.
  • 분배법칙: 임의의 실수 x, y, z에 대해, x \times (y+z)=(x \times y)+(x \times z)가 성립한다.
  • 항등원의 존재: 임의의 실수 x에 대해, x+0=x를 만족하는 덧셈 항등원 0이 존재하고, x \times 1=x를 만족하는 곱셈 항등원 1이 존재한다. (단, 0 \ne 1)
  • 역원의 존재: 임의의 실수 x에 대해, x+(-x)=0을 만족하는 덧셈 역원 -x가 존재하고, x \ne 0인 임의의 실수 x에 대해 x \times x^{-1} = 1을 만족하는 곱셈 역원 x^{-1}이 존재한다.
  • 순서 공리: 실수 간의 대소 관계를 규정한다.
  • 반사성: 임의의 실수 x에 대해, x \le x이다.
  • 반대칭성: 임의의 실수 x, y에 대해, x \le y이고 y \le x이면 x=y이다.
  • 추이성: 임의의 실수 x, y, z에 대해, x \le y이고 y \le z이면 x \le z이다.
  • 완전성: 임의의 실수 x, y에 대해, x \le y 또는 y \le x이다.
  • 덧셈 하의 순서 보존: 임의의 실수 x, y, z에 대해, x \le y이면 x+z \le y+z이다.
  • 곱셈 하의 순서 보존: 임의의 실수 x, y에 대해, 0 \le x이고 0 \le y이면 0 \le xy이다.
  • 완비성 공리: 상계를 갖는 공집합이 아닌 실수의 부분집합은 상한을 가진다.
  • 데데킨트 완비성: 위로 유계인 공집합이 아닌 실수의 부분집합은 상한을 갖는다.


유리수는 체 공리와 순서 공리를 만족하지만, 완비성 공리는 만족하지 않는다. 완비성 공리는 유리수실수를 구분하는 핵심적인 성질이며, 아르키메데스 성질을 유도할 수 있다.

실수 공리의 임의의 두 모형은 서로 동형 사상의 의미를 가지며 유일하다.

3. 실수 모형의 구성

실수의 구성은 수학적으로나 역사적으로나 중요한 의미를 갖는다. 게오르크 칸토어/샤를 메레, 리하르트 데데킨트, 카를 바이어슈트라스/오토 슈톨츠에 의한 세 가지 구성은 모두 몇 년 간격으로 나타났으며, 각각 장단점을 가지고 있다. 이 세 가지 구성의 주된 동기는 수학 교육이었다.

코시 수열을 이용한 구성은 거리 공간의 완비화를 통해 이루어진다. 이는 유리수의 코시 수열을 이용하여 실수를 정의하는 방식이다. 데데킨트 절단을 이용한 구성은 유리수의 특정 조건을 만족하는 부분집합을 이용하여 실수를 정의한다. 이 방법은 각 실수가 유일한 하나의 절단과 대응된다는 장점을 가진다.[1] 시몬 스테빈이 널리 알린 십진법을 이용한 구성은 실수를 무한 십진법 전개식으로 정의하고, 0.999…와 1.000… 등을 같은 실수로 취급한다.[12] 이 외에도 초실수를 이용하거나, 정수 집합만을 이용하는 구성 방식도 존재한다.

이러한 다양한 구성 방식들은 모두 동형이며, 이는 실수가 유일한 구조를 가진다는 것을 의미한다.

3. 1. 코시 수열에 의한 구성

거리 공간의 모든 코시 수열을 수렴하게 만드는 방법은 완비화를 통해 새로운 점을 추가하는 것이다. 실수 집합은 유리수의 거리 |x-y|에 대한 완비화로 정의된다.

임의의 유리수 ε > 0에 대해, 자연수 N이 존재하여 임의의 m, n > N에 대해 |xm - xn| < ε을 만족하는 유리수열 (xn)의 집합을 R이라 한다. 두 코시 수열의 덧셈과 곱셈은 다음과 같이 정의한다.

:(xn)+(yn)=(xn + yn)

:(xn) × (yn)=(xn × yn)

R에 정의된 '두 수열 사이의 거리가 0으로 수렴한다'는 동치관계는, 앞서 정의한 덧셈, 곱셈에 대해 불변이며, 동치류들의 집합 R이 모든 실수 공리를 만족하는 것을 보일 수 있다. 유리수 r를 수열 (r,r,r,...)의 동치류로 재정의함으로써 유리수 집합을 실수 집합에 매장시킬 수 있다.

'(xn),(yn)가 동치이거나, 자연수 N이 존재하여 임의의 n > N에 대해 xn ≥ yn이다'는 순서관계 (xn) ≥ (yn)를 통해 실수 간의 순서 관계를 정립할 수 있다.

이러한 구성에서 모든 실수 x는 유리수 코시 수열로 표현될 수 있다. 그러나 이러한 표현은 유일하지 않다. x로 수렴하는 모든 유리수 코시 수열은 x의 한 표현이다. 이는 하나의 실수를 여러 가지 수열로 근사할 수 있다는 점을 보여준다.

이 구성에서 최소 상계 공리가 성립함은 다음과 같이 증명할 수 있다. S를 R의 공집합이 아닌 부분집합이라 하고, 상계 u0가 존재한다고 하자. u0가 유리수라고 가정해도 무방하다. S가 공집합이 아니므로 어떤 유리수 l0과 어떤 s∈S가 존재하여 l0n),(ln)을 다음과 같이 정의한다. mn=(un + ln)/2일 때, mn이 S의 상계이면 ln+1 = ln, un+1 = mn이고, 그렇지 않으면 ln+1 = mn, un+1 = un이다.

두 수열 모두 유리수 코시 수열이며, 서로 동치이다. 이로부터 실수 [(ln)]=[(un)]=u를 얻는다. n에 대한 귀납법에 의해 다음이 성립한다.

# 모든 ln은 S의 상계가 아니다.

# 모든 un은 S의 상계이다.

첫 번째 결론에 의해 S의 임의의 상계 b에 대하여, ln
십진법으로 표현된 실수는 자연스럽게 코시 수열로 바꿀 수 있다. 예를 들어 π의 십진법 표기 3.1415...는 코시 수열 (3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415, ...)의 동치류로 해석된다. 또 0.999… = 1은 코시 수열 (0.9, 0.99, 0.999, ...), (1, 1, 1, ...)이 동치라는 의미이다.

유리수의 완비화에 의한 실수 구성의 장점 중 하나는, 실수뿐만 아니라 다른 거리 공간에도 적용 가능하다는 것이다.

3. 2. 데데킨트 절단에 의한 구성

유리수의 특정 조건을 만족하는 부분집합(데데킨트 절단)을 이용하여 실수를 정의한다. 각 실수가 유일한 하나의 절단과 대응된다는 장점이 있다.[1]

데데킨트 절단은 아래로 닫혀있고 최대원소가 없는 집합과 위로 닫힌 집합으로 이루어진 순서체의 분할이다. 데데킨트 절단을 실수로 두어 실수 체계를 구성할 수 있다. 데데킨트 절단은 BA에 의해서만 결정되기 때문에 간단히 A로 나타낼 수 있다. 따라서 실수를 그보다 작은 유리수 전체의 집합이라 생각할 수 있다. 실수 r은 아래 조건을 만족하는 \mathbf{Q}의 부분집합이다.[10]

# r\ne\emptyset

# r\ne\mathbf{Q}

# r은 아래로 닫혀있다. 즉, x\in r이고 y이면 y\in r이다.

# r은 최대 원소를 가지지 않는다. 즉, 임의의 x\in r에 대하여 y\in r이 존재하여 x

모든 실수의 집합을 \mathbf{R}이라 두고 그 위의 순서와 연산을 아래와 같이 구성한다.

  • \mathbf{R} 위의 전순서: x\le y\Leftrightarrow x\subseteq y
  • 유리수 끼워넣기: 유리수 q를 그보다 작은 전체 유리수의 집합 \{ x\in\mathbf{Q}:x으로 간주한다.[10] 이는 유리수의 조밀성에 의해 최대원소가 존재하지 않으므로 데데킨트 절단의 조건을 만족한다. 실수로서의 유리수는 원래 유리수의 성질을 보존한다.
  • 덧셈: A+B:=\{ a+b:a\in A,b\in B\}[10]
  • 뺄셈: A-B:=\{ a-b:a\in A,b\in\mathbf{Q}\!\setminus\! B\} 여기서 \mathbf{Q}\!\setminus\! B\mathbf{Q}에 대한 B의 차집합이다.
  • 반수(덧셈의 역원)는 뺄셈의 특례이다. -B:=0-B=\{a-b:a<0,b\in\mathbf{Q}\!\setminus\! B\}.
  • 절댓값: |A|:=A\cup (-A)
  • 곱셈:[10]
  • * A,B\ge 0일 때, A\times B:=\{ ab:a,b\ge 0,a\in A,b\in B\}\cup\{ x\in\mathbf{Q}:x<0\}
  • * A,B 중 음수가 있을 때에는 |A|\times |B|에 적당한 부호를 붙인다.
  • 나눗셈의 정의도 곱셈과 비슷하다.
  • * A\ge 0,B>0일 때, A/B:=\{ a/b:a\in A,b\in\mathbf{Q}\setminus B\}
  • * B\ne 0 또한 A,B 중 음수가 있을 때에는 |A|/|B|에 적당한 부호를 붙인다.
  • 상한: \mathbf{R}의 상계를 가지는 부분집합 S\mathbf{R}에서 상한 \bigcup S를 가진다.


무리수를 데데킨트 절단으로 표현하는 예로, 2의 양의 제곱근은 집합 A=\{ x:x<0\lor x\times x<2\}로 표현될 수 있다.[11] A가 실수이며 A\times A=2임을 위의 정의를 통해 알 수 있다. A가 실수임을 증명하려면 임의의 x\in A에 대해 y\in A가 존재하여 x임을 보여야 한다. y=\frac{2x+2}{x+2}를 취하면 된다. A\times A\le 2는 자명하고, 등호의 성립을 보이려면 임의의 유리수 q<2에 대하여, 양의 유리수 x\in A가 존재하여 q임을 보이면 된다.

이 구성의 장점은 임의의 실수가 유일한 하나의 절단과 대응한다는 점이다.

데데킨트 컷은 무리수실수를 구성하는 데 사용되었다.

3. 3. 스테빈의 구성 (십진법 전개)

시몬 스테빈십진법을 사용한 실수의 표기를 널리 알렸다.[12] 실수를 (무한) 십진법 전개식으로 정의하고, 0.999…와 1.000… 등을 같은 실수로 정의한 뒤, 실수의 연산과 순서 정의를 추가했다. 십진법에 의한 정의는 코시 열데데킨트 절단에 의한 것과 동치이다. 10 외의 다른 을 사용해도 무방하다.

이 구성의 장점은 실수에 대한 직관과 가까우며, 함수의 급수 전개를 시사한다는 것이다. 모든 실수 모형의 동형성을 증명하는 표준적인 방법은 각각의 모델에서 모든 실수의 소수 전개식을 제시하는 것이다.

3. 4. 초실수에 의한 구성

초실수에서 초유리수 ^*\mathbb{Q}는 초여과기를 사용하여 유리수로부터 구성된다.[7] 여기서 초유리수는 정의상 두 초정수의 비율이다. ^*\mathbb{Q}에 있는 모든 제한된(즉, 유한한) 원소의 B를 생각해보자. 그러면 B는 유일한 극대 아이디얼 I, 즉 무한소 초유리수를 갖는다. 몫환 B/I \mathbb{R}인 실수를 제공한다.[8] 이 구성은 선택 공리에 의해 보장되는 자연수 집합에 대한 비주 아이디얼 여과기를 사용한다.

극대 아이디얼은 ^*\mathbb{Q}에서 순서를 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 결과로 나오는 체는 순서 체이다. 완비성은 코시 수열로부터의 구성과 유사한 방식으로 증명할 수 있다.

3. 5. 초현실수에 의한 구성

모든 순서체초현실수에 매장될 수 있다. 실수는 아르키메데스인 극대 부분체(실수가 무한히 크거나 무한히 작지 않다는 의미)를 형성한다. 이 매장은 유일하지 않지만, 표준적인 방식으로 선택될 수 있다.

3. 6. 정수 집합에 의한 구성 (에우독소스 실수)

정수의 가산 그룹 \mathbb{Z}만을 사용하여 실수를 정의하는 방법으로, 여러 버전이 존재한다.[1][2][3] Stephen Schanuel의 미출판 작업을 이 구성의 기원으로 간주하는 아르탕(Arthan)은 이 구성을 '에우독소스 실수(Eudoxus reals)'라고 부르며, 고대 그리스의 천문학자이자 수학자인 에우독소스의 이름을 따서 명명했다. 셰니처(Shenitzer)와 아르탕(Arthan)이 언급했듯이, 비례의 행동을 사용한 에우독소스의 양에 대한 처리는 이 구성의 기초가 되었다. 이 구성은 IsarMathLib 프로젝트에 의해 데데킨트 완전 순서체임을 형식적으로 검증받았다.[4]

'''준 동형 사상'''은 집합 \{f(n+m)-f(m)-f(n): n,m\in\mathbb{Z}\}이 유한한 맵 f:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}로 정의한다. (참고로 f(n) = \lfloor \alpha n\rfloor는 모든 \alpha \in \mathbb{R} 에 대한 준 동형 사상이다.) 준 동형 사상은 점별 덧셈에 따라 가환군을 형성한다. 두 준 동형 사상 f,g에 대해 집합 \{f(n)-g(n): n\in \mathbb{Z}\}이 유한하면 '''거의 같다'''고 한다. 이는 준 동형 사상 집합에 대한 동치 관계를 정의한다. 실수는 이 관계의 동치류로 정의된다. 또는, 유한한 값만 갖는 준 동형 사상은 부분군을 형성하고, 실수의 기본 가산군은 몫군이다. 이렇게 정의된 실수를 더하기 위해, 그들을 나타내는 준 동형 사상을 더한다. 실수의 곱셈은 준 동형 사상의 함수 합성에 해당한다. [f]가 준 동형 사상 f로 표시되는 실수를 나타내는 경우, f가 유계이거나 f\mathbb{Z}^+에서 무한히 많은 양의 값을 가지면 0\leq [f]라고 말한다. 이것은 이렇게 구성된 실수 집합에 대한 선형 순서 관계를 정의한다.

4. 모형 간의 동형성

임의의 두 실수 모델이 동형이라는 것은, 임의의 두 모델 (\mathbb{R}, 0_\R, 1_\R, +_\R, \times_\R, \le_\R)(S, 0_S, 1_S, +_S, \times_S, \le_S)에 대해, 체 연산과 순서를 모두 보존하는 전단사 함수 f\colon\mathbb{R}\to S가 존재한다는 것을 의미한다. 구체적으로 다음이 성립한다.


  • f단사 함수이자 전사 함수이다.
  • f(0_{\mathbb{R}}) = 0_Sf(1_{\mathbb{R}}) = 1_S이다.
  • \mathbb{R}의 모든 xy에 대해, f(x +_{\mathbb{R}} y) = f(x) +_S f(y)f(x \times_{\mathbb{R}} y) = f(x) \times_S f(y)이다.
  • \mathbb{R}의 모든 xy에 대해, x \le_{\mathbb{R}} y if and only if f(x) \le_S f(y)이다.

5. 타르스키의 실수 공리화

알프레드 타르스키는 4개의 기본 개념과 8개의 공리를 이용하여 실수를 공리화했다. 이는 실수의 덧셈과 순서 관계에 대한 공리들로 구성된다.[1]

타르스키가 제시한 기본 개념은 다음과 같다.


  • \mathbb{R}로 표시되는 '실수'라고 하는 집합
  • < 기호로 표시되는 '순서'라고 하는 \mathbb{R} 위의 이항 관계
  • + 기호로 표시되는 \mathbb{R} 위의 이항 연산인 '덧셈'
  • 상수 1


타르스키는 위 기본 개념을 바탕으로 다음과 같은 8개의 공리를 제시했다.

'''순서 공리''' (기본 개념: \mathbb{R}, <):

  • '''공리 1'''. 만약 ''x'' < ''y''라면, ''y'' < ''x''가 아니다. 즉, "<"는 비대칭 관계이다.
  • '''공리 2'''. 만약 ''x'' < ''z''라면, ''x'' < ''y'' 이고 ''y'' < ''z''인 ''y''가 존재한다. 즉, "<"는 \mathbb{R}에서 조밀하다.
  • '''공리 3'''. "<"는 데데킨트-완비이다. 더 형식적으로, 모든 ''X'', ''Y'' ⊆ \mathbb{R}에 대해, 모든 ''x'' ∈ ''X'' 및 ''y'' ∈ ''Y''에 대해, ''x'' < ''y''이면, 모든 ''x'' ∈ ''X'' 및 ''y'' ∈ ''Y''에 대해, ''z'' ≠ ''x''이고 ''z'' ≠ ''y''이면, ''x'' < ''z''이고 ''z'' < ''y''인 ''z''가 존재한다.


공리 3은 다음과 같이 바꿔 쓸 수 있다.

:"실수 집합이 다른 실수 집합보다 앞선다면, 두 집합을 분리하는 실수가 적어도 하나 존재한다."

'''덧셈 공리''' (기본 개념: \mathbb{R}, <, +):

  • '''공리 4'''. ''x'' + (''y'' + ''z'') = (''x'' + ''z'') + ''y''.
  • '''공리 5'''. 모든 ''x'', ''y''에 대해, ''x'' + ''z'' = ''y''인 ''z''가 존재한다.
  • '''공리 6'''. 만약 ''x'' + ''y'' < ''z'' + ''w''라면, ''x'' < ''z'' 또는 ''y'' < ''w''이다.


'''1에 대한 공리''' (기본 개념: \mathbb{R}, <, +, 1):

  • '''공리 7'''. 1 ∈ \mathbb{R}.
  • '''공리 8'''. 1 < 1 + 1.


이 공리들은 \mathbb{R}이 구별되는 원소 1을 갖는 덧셈에 대한 선형 순서 아벨 군임을 의미한다. \mathbb{R}은 또한 데데킨트-완비이고 가분이다.

참조

[1] 웹사이트 Real Numbers http://math.colorado[...]
[2] 웹사이트 Interactive Notes for Real Analysis http://homepages.mat[...] 2015-08-21
[3] 웹사이트 Axioms of the Real Number System https://www.math.uci[...]
[4] 문서 p-adic numbers
[5] 웹사이트 Math 25 Exercises https://www.math.ucd[...]
[6] 웹사이트 1.2–Cuts http://math.furman.e[...]
[7] 웹사이트 Hyperreals and a Brief Introduction to Non-Standard Analysis https://sites.math.w[...] 2015-06-08
[8] 서적 Lectures on the Hyperreals: An introduction to nonstandard analysis Springer-Verlag
[9] 기타 MR693180
[10] 서적 Real Mathematical Analysis http://books.google.[...] Springer
[11] 서적 What is Mathematics, Really? http://books.google.[...] Oxford University Press US
[12] 논문 Stevin Numbers and Reality http://www.springerl[...] 2011



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