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 | |
목적 | 실수를 엄밀하게 정의하고, 그 성질을 공리로부터 유도함 |
방법 | 기존의 수 체계 (예: 유리수)를 이용하여 실수를 구성 코시 수열, 데데킨트 컷 등 다양한 방법 존재 |
코시 수열을 이용한 구성 | |
정의 | 유리수 코시 수열들의 동치류로 실수를 정의 |
연산 | 코시 수열들의 극한 연산을 통해 실수 연산 정의 |
장점 | 직관적이고 이해하기 쉬움 |
단점 | 동치 관계 정의 및 증명이 복잡 |
데데킨트 컷을 이용한 구성 | |
정의 | 유리수의 데데킨트 컷(아래쪽 집합)으로 실수를 정의 |
연산 | 집합 연산을 통해 실수 연산 정의 |
장점 | 완비성 증명이 비교적 간단 |
단점 | 추상적이고 이해하기 어려움 |
역사 | |
창시자 | 게오르크 칸토어, 리하르트 데데킨트, 샤를 메레 |
배경 | 미적분학의 엄밀한 기초 확립 필요성 |
중요성 | |
수학적 엄밀성 | 실수의 엄밀한 정의를 제공하고, 수학적 논리의 기초를 강화함 |
해석학 | 해석학의 모든 정리 증명의 기반이 됨 |
참고 | |
관련 항목 | 실수 코시 수열 데데킨트 컷 해석학 |
2. 실수 공리
실수는 체 공리, 순서 공리, 완비성 공리의 세 가지 공리를 만족하는 수 체계이다.
- 체 공리: 덧셈과 곱셈 연산의 성질을 규정한다.
- 결합법칙: 임의의 실수 에 대해, 와 가 성립한다.
- 교환법칙: 임의의 실수 에 대해, 와 가 성립한다.
- 분배법칙: 임의의 실수 에 대해, 가 성립한다.
- 항등원의 존재: 임의의 실수 에 대해, 를 만족하는 덧셈 항등원 0이 존재하고, 를 만족하는 곱셈 항등원 1이 존재한다. (단, )
- 역원의 존재: 임의의 실수 에 대해, 을 만족하는 덧셈 역원 가 존재하고, 인 임의의 실수 에 대해 을 만족하는 곱셈 역원 이 존재한다.
- 순서 공리: 실수 간의 대소 관계를 규정한다.
- 반사성: 임의의 실수 에 대해, 이다.
- 반대칭성: 임의의 실수 에 대해, 이고 이면 이다.
- 추이성: 임의의 실수 에 대해, 이고 이면 이다.
- 완전성: 임의의 실수 에 대해, 또는 이다.
- 덧셈 하의 순서 보존: 임의의 실수 에 대해, 이면 이다.
- 곱셈 하의 순서 보존: 임의의 실수 에 대해, 이고 이면 이다.
- 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 유리수와 실수를 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 l0
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 가 에 의해서만 결정되기 때문에 간단히 로 나타낼 수 있다. 따라서 실수를 그보다 작은 유리수 전체의 집합이라 생각할 수 있다. 실수 은 아래 조건을 만족하는 의 부분집합이다.[10]
#
#
# 은 아래로 닫혀있다. 즉, 이고
4. 모형 간의 동형성
임의의 두 실수 모델이 동형이라는 것은, 임의의 두 모델
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:
- '''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:
- '''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:
- '''공리 7'''. 1 ∈
\mathbb{R} . - '''공리 8'''. 1 < 1 + 1.
이 공리들은
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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