[목차] == 개요 == {{{+1 [[實]][[數]] ・ real number}}} [[유리수]]와 [[무리수]]를 통틀어 실수라 한다. 실수는 [[실직선|수직선]]에 나타낼 수 있고[* 수직선 전체와 실수는 1:1 대응을 이룬다.], 따라서 허수와는 달리 대소 비교가 가능하며, [[사칙연산]]에 대해 닫혀 있다. 중학교 수준에서 배우는 실수의 성질은 이렇다. 1. 유리수와 유리수 사이에는 무수히 많은 유리수가 존재하며, 모든 유리수는 각각 수직선 위 한 점에 대응하여 나타낼 수 있다(유리수의 조밀성). 1. 무리수와 무리수 사이에는 무수히 많은 무리수가 존재하며, 모든 무리수는 각각 수직선 위 한 점에 대응하여 나타낼 수 있다(무리수의 조밀성). 1. 서로 다른 두 실수 사이에는 무수히 많은 실수가 존재한다. 또한 수직선을 실수에 대응하는 점들로 완전히 메울 수 있다(실수의 연속성). 고등학교 과정에서는 [[복소수]]를 배우면서 실수에 다음 성질이 추가된다. 4. 임의의 실수 [math(a)]에 대해서 [math(\Im(a) = 0 \Leftrightarrow a = a+0i)]이다. 즉 [[허수]]부가 0인 복소수 집합이다. 실수의 집합을 나타내는 기호로는 [[칠판#s-6.2|칠판체]]인 [math(\mathbb R)]이 많이 쓰인다. == 공리 == 실수의 핵심적인 공리는 다음과 같다. 실수의 모든 성질들을 다음 3가지에서 유도가 되고, 이 3가지를 만족시키는 집합은 실수 집합밖에 없기 때문에[* 전순서를 반대로 바꿔도 성립하므로 대수학적으로 모두 isomorphic하다.] 아래 3가지 성질을 실수의 공리라고 할 수 있다. > * (체 공리) [[체(대수학)|체]]이다. 즉, 사칙연산을 할 수 있으며, 덧셈, 곱셈에 대한 항등원 및 역원이 존재하고[* 당연하지만, 덧셈에 대한 항등원에 대응하는 곱셈에 대한 역원은 정의되지 않는다.], 결합법칙, 교환법칙, 분배법칙이 성립한다. > * (순서 공리) 전순서를 이룬다. 즉 실수 [math(a)]와 [math(b)]가 있다면 [math(a=b, ab)] 셋 중 정확히 하나가 성립한다.[* 구성주의 수학에서는 받아들이지 않는다.] 또한 이 순서는 [math(1)]에서의 대수적 구조(덧셈, 곱셈의 연산)와 독립적인 것이 아니라, 순서체가 된다. 즉, 임의의 실수 [math(a, b, c)]에 대해 [math(a0)]이면 [math(ac * 이는 부분집합 중 양수집합 [math(P)]가 존재한다는 것과 동치이다. 즉, [math(a, b \in P)]이면 [math(a+b, ab \in P)]이고, 해당 체가 [math(P, {0}, -P)]의 disjoint union과 같은 부분집합 P가 존재한다는 것이다. 이 때 [math(a>b \Leftrightarrow a-b \in P)]로 정의한다. > * (완비성 공리) 완비적이다. 즉, 공집합이 아닌 실수의 진부분집합이 상계(upper bound)를 가지면 최소상계(the least upper bound)가 존재한다. 위 세 가지 성질을 모두 만족시키는 집합을 완비 순서체라고 한다. 그런데 어차피 완비 순서체는 유일하게 존재하기 때문에 사실 실수랑 똑같은 개념이다. 유리수 집합 [math(\mathbb{Q})]는 순서체이지만 완비성 공리는 만족시키지 않는다. 완비성 공리를 만족시키면 [[아르키메데스 성질]]을 만족시킨다. [math(\mathbb{Q})]는 아르키메데스 성질을 만족시키지만, 아르키메데스 성질을 만족시키지 않는 순서체도 있다. 대표적으로 무한소, 무한대 개념을 실수에 추가한 초실수체가 있다. 무한소의 특성상 아르키메데스 성질을 만족시킬수가 없다. === 유리수의 조밀성 === * 아래 보조정리의 서술과 증명: 아래에서 편의상 [math(\{n\times 1_X|n \in \mathbb{N}\})]를 자연수 집합이라 한다. >(보조정리) 완비 순서체 [math(X)]에는 임의의 자연수보다 큰 원소가 없다. [[귀류법]]으로 증명한다. 만약 임의의 자연수보다 큰 원소가 존재한다면, 완비성 공리에 의해 자연수 집합의 상한 [math(\alpha\in X)]가 존재할 것이며, 따라서 [math(\alpha-1_X < n\leq \alpha)]인 [math(n \in \mathbb{N})]가 존재한다. 그러나 [math(\alpha < n+1 \in \mathbb{N})]이고, 이는 [math(\alpha)]가 자연수 집합의 상한임에 모순이다. 따라서 이 정리가 증명되었다. * 유리수의 조밀성의 서술과 증명 >(유리수의 조밀성) 임의의 서로 다른 두 실수 [math(a, b (a0)]이라고 우선 가정하면, 자연수의 정렬성 원리에 의해 이러한 자연수 중에 최소 자연수 [math(m_0)]가 존재하고, [math(a<\displaystyle\frac{m_0}{n} [math(A, B)]가 완비 순서체라고 가정하면, 전단사함수 [math(f:A \rightarrow B)]가 존재하여 다음을 만족시킨다: > (가) 모든 [math(x, y \in A)]에 대하여, [math(f(x+y)=f(x)+f(y), f(xy)=f(x)f(y))]를 만족시킨다. > (나) [math(A, B)]의 양수 집합을 각각 [math(P_A, P_B)]라고 할 때, [math(f(P_A)=P_B)]이다. 이러한 [math(f)]가 존재한다면 [math(A, B)]는 구조가 같다, 즉 완비 순서체가 유일하다고 말할 수 있다. 이제 증명을 시작하자. 순서체이기 때문에, [math(...<-1_A\times2<-1_A<0_A<1_A<1_A\times2<...)]이고 이는 [math(B)]도 마찬가지다. 즉 둘 다 정수집합 구조를 포함하고 있는 거다. 게다가 [math(A, B)]는 체이므로 0이 아닌 정수끼리 나눌 수 있고, 따라서 [math(A, B)]는 유리수 집합 구조 또한 포함하고 있다. 즉, 유리수 집합 [math(\mathbb{Q})]는 [math(A, B)]를 연결하는 열쇠이다. 이에 착안하여, 또한 완비성 공리를 사용하기 위해, [math(x \in A)]에 대한 집합 [math(C_x=\{1_B\times r|r \in \mathbb{Q}, 1_A\times rx)]와 [math(g(f(x))f(a+b))]임을 가정하고 모순을 이끌어내면 된다. [math(f(a)+f(b)>f(a+b))]이면 체의 공리에 의해 [math(f(a)+f(b)-\epsilon>f(a+b))]인 [math(0<\epsilon=\displaystyle\frac{f(a)+f(b)-f(a+b)}{2})]이 존재하고, 유리수의 조밀성에 의해 두 유리수 [math(\alpha, \beta)]가 존재하여 [math(f(a)-\displaystyle\frac{\epsilon}{2}<\alpha \times 1_B