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実数の加法の定義.(P18,補題1.1)

定義(加法)

 有理数の任意の2つの集合𝑆,𝑇が与えられたとき,𝑠∈𝑆,𝑡∈𝑇の和𝑠+𝑡全体の集合を𝑆+𝑇で表わす:

𝑆+𝑇={𝑠+𝑡|𝑠∈𝑆,𝑡∈𝑇}.

また同様に

𝑆+𝑡={𝑠+𝑡|𝑠∈𝑆}

などと書く.

補題1.1

 𝑎,𝑏が有理数のとき,𝑟<𝑎+𝑏なる有理数𝑟に対して𝑟=𝑠+𝑡,𝑠<𝑎,𝑡<𝑏なる有理数𝑠,𝑡が存在する.

定義1.3

 2つの実数𝛼=⟨𝐴,𝐴′⟩,𝛽=⟨𝐵,𝐵′⟩が任意に与えられたとき,𝛼と𝛽の和を

𝛼+𝛽=𝜎,𝜎=⟨𝑆,𝑆′⟩,𝑆=𝐴+𝐵

と定義する.

 有理数の2つの集合における加法を定義している.まだここでは有理数の切断の加法について言及していない.

 定義1.3を主張する上で必要.主張内容は上のとおり素直に受け取ればよい.

 有理数の存在を証明するので,仮定の𝑎,𝑏,𝑟を使って,条件を満たす有理数𝑠,𝑡を構成できることを示せばいい.

 有理数𝑠,𝑡を以下のとおりに定義する.

𝑠=𝑎−(𝑎+𝑏−𝑟)2𝑡=𝑏−(𝑎+𝑏−𝑟)2

このとき,𝑠+𝑡=𝑟であり,𝑟<𝑎+𝑏から(𝑎+𝑏−𝑟)2>0から𝑠>𝑎および𝑟>𝑏がわかる.

 したがって,𝑎,𝑏,𝑟から𝑠,𝑡を構成できたので,補題1.1は成立する.

 𝑆は𝑠+𝑡(𝑠∈𝐴,𝑡∈𝐵)の全体である.𝑟<𝛼+𝛽を満たす有理数𝑟の全体などと言っていない.𝑟<𝛼+𝛽で理論が構築されていれば,わかりやすいのに.

 𝜎=⟨𝑆,𝑆′⟩と定義したが,⟨𝑆,𝑆′⟩が有理数の切断かどうかはまだ示されていない.

  1. 𝑆,𝑆′が空集合でないこと.

     まず,𝑆,𝑆′が空集合でないことを示す.

     𝑆=𝐴+𝐵は空集合ではない.なぜなら,𝐴,𝐵は有理数の切断において空集合ではないので,ある有理数𝑎∈𝐴,𝑏∈𝐵が存在し,𝑎+𝑏∈𝑆となり,𝑆に元が存在する.

     𝑆′は𝑆の補集合と定義される.これだけでは𝑆′が空集合かどうかは不明である.しかし,𝑆′は空集合でない.

     なぜならば,任意の𝑟∈𝐴,𝑠∈𝐵において𝑟+𝑠<𝑢+𝑣を満たす𝑢∈𝐴′,𝑣∈𝐵′が取れる.すなわち,𝑆に含まれない有理数𝑢+𝑣が存在するということ.つまり,𝑆′は空集合でないということ.

  2. 有理数の切断の条件3を満たすこと.

     任意で𝑎+𝑏∈𝑆(𝑎∈𝐴,𝑏∈𝐵)を取る.補題1.1より𝑟=𝑠+𝑡<𝑎+𝑏を満たす𝑠∈𝐴,𝑡∈𝐵がある.これは𝑟=𝑠+𝑡∈𝑆を意味し,𝑟<𝑎+𝑏である有理数𝑟は𝑟∈𝑆ということ.すなわち,有理数の切断の条件3を満たす.

  3. 𝑆に属する最大の有理数はない.

     𝐴,𝐵に最大の有理数がないので,𝐴+𝐵にも最大の有理数はない.したがって,𝑆=𝐴+𝐵にも最大の有理数はない.

 以上により,⟨𝑆,𝑆′⟩は有理数の切断であることが示せた.

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