実数の定義

実数を無限小数として定義する場合、実数に関する議論はすべて無限小数に関する議論として行うことになり面倒です。代替的な方法として公理主義的なアプローチのもとで実数を定義します。ここでは実数を特徴づける公理について解説します。

学習内容

公理主義的実数論

初等数学では実数を小数を用いて定義しましたが、ここでは公理によって実数と呼ばれる概念を定義します。

数の体系

数の概念が自然数から整数、そして有理数へと拡張されてきた背景には、もとの数の範囲では不可能であった演算を可能にするという動機があります。また、数直線上に点を隙間なく並べるためには数の概念を有理数から実数へ拡張する必要があります。

無限小数としての実数

実数は有理数と無理数をあわせたもののことです。有理数は循環する無限小数であり無理数は循環しない無限小数ですから、実数とは循環するものとしないものを含めたすべての無限小数のことです。

公理主義的実数論

実数を無限小数として定義する場合、実数に関する議論はすべて無限小数に関する議論として行うことになるため不便です。そこで登場するのが公理主義という手法です。

体としての実数空間

私たちは実数に対して足し算や掛け算などの演算を行いますが、これらの演算を規定する性質を抽出した上で、それらを実数を特徴づける公理として定めます。

実数の加法

公理主義的実数論では実数空間上に加法と呼ばれる二項演算を定義した上で、それが可換群(アーベル群)としての性質を満たすことを公理として定めます。加法に関する性質はいずれもそれらの公理から導かれて初めて正しいものとして認められます。

実数の減法

減法と呼ばれる二項演算は加法から間接的に定義されます。減法に関する性質もまた、加法の性質を規定する公理から証明されてはじめて正しいものとして認められます。

実数の乗法

公理主義的実数論では実数空間上に乗法と呼ばれる二項演算を定義した上で、それが可換群(アーベル群)としての性質を満たすことを公理として定めます。乗法に関する性質はいずれもそれらの公理から導かれて初めて正しいものとして認められます。

実数の除法

除法と呼ばれる二項演算は乗法から間接的に定義されます。除法に関する性質もまた、乗法の性質を規定する公理から証明されてはじめて正しいものとして認められます。

実数体

公理主義的実数論では実数空間上に加法および乗法と呼ばれる二項演算を定義した上で、それらが体としての性質を満たすことを公理として定めます。演算に関する性質はいずれもそれらの公理から導かれて初めて正しいものとして認められます。

完備な全順序体としての実数空間

数の中には自然数、整数、有理数、実数など様々な種類がありますが、その中でも実数に固有の性質を抽出した上で、それを連続性と呼ばれる公理として定めます。

有理数のデデキント切断

数直線上には有理数が細かく密集して分布しているものの、有理数の間は隙間だらけであり、無理数がその隙間を埋めています。以上の主張を集合を用いて厳密に表現するためにデデキント切断と呼ばれる概念を導入します。

実数の連続性(実数のデデキント切断)

実数を特徴づける公理として、それが加法と乗法、そして大小関係について全順序体であるものと定めました。しかし、こうした性質は有理数についても成立します。数としての実数を特徴づける性質は連続性です。連続性をデデキントの切断と呼ばれる概念を用いて解説します。

上限性質・下限性質

実数空間の非空かつ上に有界な部分集合は上限を持ちます。これを上限性質と呼びます。また、実数空間の非空かつ下に有界な部分集合は下限を持ちます。これを下限性質と呼びます。上限性質や下限性質はデデキントの公理と必要十分であるため、実数の連続性を特徴づける公理として採用することができます。

自然数の定義

実数空間の部分集合が帰納的集合であることの意味を定義した上で、すべての帰納的集合の部分集合として自然数集合を定義します。

アルキメデスの性質

実数の連続性より、すべての自然数からなる集合 N は上に有界ではないことが示されます。これをアルキメデスの原理と呼びます。

数学的帰納法の原理(弱数学的帰納法の原理)

数学的帰納法とは、自然数 n に関する命題 P(n) が全ての自然数 n に対して成り立つことを示す手法の1つですが、この証明方法が有効であることの根拠(数学的帰納法の原理)を解説します。

完全帰納法の原理(強数学的帰納法の原理)

数学的帰納法の原理は完全帰納法の原理(強数学的帰納法の原理)と呼ばれる命題と必要十分です。完全帰納法の原理を用いた証明方法を完全帰納法による証明と呼びます。

指数が自然数である場合の累乗

実数が底であり、指数が自然数であるような累乗を定義した上で、それが指数法則と呼ばれる命題を満たすことを示します。

整数の定義

自然数、ゼロ、自然数の加法逆元の中の少なくとも1つであるような実数を整数と呼びます。特に、正の整数は自然数と一致し、負の整数は自然数の加法逆元と一致します。

指数が整数である場合の累乗

底が非ゼロの実数であり、指数が整数であるような累乗を定義した上で、それが指数関数を満たすことを示します。

有理数の定義

整数と非ゼロの整数の比として表現される実数を有理数と呼びます。有理数集合上に加法と乗法と大小関係を定義すると全順序体になります。その一方で、有理数集合は連続性を満たしません。

指数が有理数である場合の累乗

底が正の実数であり、指数が有理数であるような累乗を定義した上で、それが指数関数を満たすことを示します。

有理数の稠密性

2つの異なる実数を任意に選んだとき、それらの間には必ず有理数が存在します。このような性質を有理数の稠密性と呼びます。

無理数の定義

有理数ではない実数を無理数と呼びます。無理数が存在することを実数の公理から導きます。無理数と有理数の和は無理数です。無理数集合は四則演算について閉じていません。

無理数の稠密性

2つの異なる実数を任意に選んだとき、それらの間には必ず無理数が存在します。このような性質を無理数の稠密性と呼びます。

指数が実数である場合の累乗

指数が実数であるような累乗を定義した上で、これが有理数の指数を持つ累乗の一般化であるとともに、指数法則を満たすことを示します。

区間の定義

実数の特別な部分集合である区間という概念を定義します。

絶対値の定義と性質

実数の絶対値と呼ばれる概念を定義した上で、その代表的な性質について解説します。

数直線上の距離(1次元ユークリッド空間)

数直線上の2つの点の間の距離という概念を定義した上で、距離の性質について解説します。距離が定義された数直線を1次元ユークリッド空間と呼びます。

実数空間上の有界集合

実数空間の部分集合が有界であることの意味は、大小関係という概念を前提にせずとも、距離を用いて表現できることを示します。

拡大実数系と不定形

R に属するすべての実数と正負の無限大+∞,−∞からなる集合を拡大実数系と呼びます。

確認テスト

実数の定義に関する確認テストです。

学習ガイド

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