Ava peamenüü

Reaalarvud on kõik ratsionaal- ja irratsionaalarvud ehk kõik positiivsed ja negatiivsed arvud ja null ehk kõik algebralised arvud ja transtsendentsed arvud.

Reaalarvud moodustavad reaalarvude hulga ehk R ning tähtsaima arvuvalla matemaatikas.

Reaalarvud on konstrueeritud nii, et oleks võimalik loomulik üksühene vastavus reaalarvude hulga ja sirge (arvsirge) punktide hulga vahel.

Nimetus "reaalarv" ('tegelik arv') iseloomustab erinevust imaginaararvudest.

Sisukord

Reaalarvude konstruktsioonidRedigeeri

Reaalarvude konstruktsioonid ehk konstruktiivsed definitsioonid on sellised reaalarvude defineerimise viisid, mille korral võetakse aluseks ratsionaalarvud või muud matemaatilised objektid, mis loetakse antuks. Neist konstrueeritakse uued objektid, mis vastavad meie intuitiivsele arusaamale irratsionaalarvudest ja mida nimetatakse irratsionaalarvudeks, ja lisatakse need ratsionaalarvudele. Ratsionaalarvud ja irratsionaalarvud kokku moodustavad reaalarvud.

Ajalooliselt esimesed reaalarvude ranged definitsioonid olidki konstruktiivsed. Aastal 1872 avaldati üheaegselt kolm tööd – Georg Cantori fundamentaaljadade teooria, Karl Weierstrassi teooria (tänapäevases variandis lõpmatute kümnendmurdude teooria) ning Richard Dedekindi lõigete teooria ratsionaalarvude vallas.

Cantori fundamentaaljadade teooriaRedigeeri

Allpool esitatud lähenemise reaalarvude defineerimisele esitas Georg Cantor 1872. aastal avaldatud artiklis[1]. Sarnaseid ideid väljendasid Eduard Heine ja Charles Merais.

KokkuvõteRedigeeri

Selles lähenemises defineeritakse arv ratsionaalarvude jada piirväärtusena. Et ratsionaalarvude jada koonduks, asetatakse sellele Cauchy tingimus:

 

Selle tingimuse mõte seisneb selles, et jada liikmed on alates teatud numbrist üksteisele kui tahes lähedal. Jadasid, mis seda tingimust rahuldavad, nimetatakse fundamentaaljadadeks. .

Reaalarvu, mille defineerib ratsionaalarvude fundamentaaljada  , tähistame  .

Kaht reaalarvu

  и  ,

mis on defineeritud vastavalt fundamentaaljadadele   ja  , nimetatakse võrdseteks, kui

 

Kui on antud kaks reaalarvu   ja  , siis nende summaks ja korrutiseks nimetatakse arve, mis on defineeritud vastavalt jadade   и  :

 

summa ja korrutisena.

Järjestusseos reaalarvude hulgal kehtestatakse kokkuleppega, mille järgi arv   on definitsiooni kohaselt suurem arvust   ehk  , kui

 

Reaalarvude hulga konstrueeriine fundamentaaljadade kaudu on mis tahes meetrilise ruumi täielikustamise konstruktsioon. Nagu ka üldjuhul, on täielikustamise tulemuseks saadud reaalarvude hulk ise juba täielik, st temasse kuuluvad kõigi tema elementide fundamentaaljadade piirväärtused.

Cauchy koonduvuskriteerium ja selle kasutamine CantorilRedigeeri

Cantori teooria lähtekoht oli järgmine idee[2]. Iga reaalarvu saab esitada ratsionaalarvude lõpmatu jada

 

abil, mille liikmed on selle reaalarvu lähendid kasvava täpsusastmega, nii et see jada koondub selleks arvuks.

Mõistame nüüd reaalarvu all mingit objekti  , mille defineerib ratsionaalarvude koonduv jada  .

Ent siin peitub vigane ring. Koonduva jada definitsioonis figureerib reaalarv, mis on selle jada piirväärtus – seesama mõiste, mille me koonduvate jadade abil tahame defineerida:

  koondub  leidub , nõnda et  

Et vigast ringi ei tekiks, on tarvis leida mingi tunnus, mis võimaldab väljendada jada koonduvuse tingimust selle jada liikmete terminites, see tähendab mainimata jada piirväärtuse väärtust ennast.

Cantori ajaks oli niisugune tingimus juba leitud. Selle tegi üldisel kujul kindlaks prantsuse matemaatik Augustin Louis Cauchy[3]. Cauchy kriteeriumi järgi koondub jada   siis ja ainult siis, kui

 

Kujundlikult öeldes seisneb jada koonduvuse tingimus Cauchy kriteeriumis selles, et jada liikmed on mingist numbrist alates üksteisele kui tahes lähedal.

Cauchy ei saanud seda kriteeriumi kuigivõrd rangelt põhjendada, sest puudus reaalarvu teooria.

Cantor pööras tähelepanu sellele, et see kriteerium iseenesest iseloomustab koonduva jada sisemisi omadusi: teda saab formuleerida ja kontrollida, ilma et oleks juttu selle jada piirväärtuseks olevast reaalarvust endast. Ja sellepärast saab seda tunnust kasutada selleks, et tuua välja jadade klass, mille abil saab reaalarve defineerida.

Nii et põhiline samm, mille tegi Cantor reaalarvu teooria rajamisel, seisnes selles, et ta vaatles iga ratsionaalarvude jada  , mis rahuldab Cauchy tingimust, mingit (ratsionaalset või irratsionaalset) reaalarvu defineerivana. "Kui ma räägin arvsuurusest üldistatud mõttes, toimub see eelkõige juhtumil, mil on ette pandud ratsionaalarvude lõpmatu jada

 ,

mis on antud mingi seaduse abil ning millel on see omadus, et vahe   saab  -i kasvades lõpmata väikeseks, olgu positiivne täisarv   milline tahes, ehk teiste sõnadega, suvaliselt valitud (positiivse ratsionaalarvu)   korral leidub selline täisarv  , et  , ja   on mis tahes positiivne täisarv."[1]

Tänapäeva terminoloogias nimetatakse Cauchy tingimust rahuldavat jada Cauchy jadaks ehk fundamentaaljadaks.

Reaalarvude konstruktsioon Cantori järgiRedigeeri

Kaks fundamentaaljada   ja   võivad defineerida üht ja sedasama reaalarvu. See on nii tingimusel

 

Niisiis tekib ratsionaalarvude kõigi fundamentaaljadade hulgal ekvivalentsusseos, ja üldise printsiibi järgi jagunevad kõik fundamentaaljadad ekvivalentsusklassideks. Selle klassijaotuse mõte seisneb selles, et ühte klassi kuuluvad jadad defineerivad ühe ja sellesama reaalarvu ning eri klassidesse kuuluvad jadad erinevad. Niisiis on olemas üksühene vastavus realarvude ning ratsionaalarvude fundamentaaljadade klasside vahel.

Nüüd saame sõnastada Cantori reaalarvude teooria põhidefinitsiooni.

Definitsioon. Reaalarv on ratsionaalarvude fundamentaaljadade ekvivalentsusklass.

Realarvu (ekvivalentsusklassi), mille defineerib ratsionaalarvude fundamentaaljada  , tähistame  .

Aritmeetilised tehted reaalarvudega defineeritakse nii. Kui on antud kaks realarvu   ja  , mis on defineeritud fundamentaaljadadega   ja  , nii et

  ja  ,

siis   ja   summaks nimetatakse reaalarvu, mis on defineeritud jadaga  , see on ekvivalentsusklassi, milesse see jada kuulub:

 

Pole raske kontrollida, et see definitsioon on korrektne, st ei sõltu konkreetsete jadade   klassist   ja   klassist   valikust.

Analoogselt defineeritakse reaalarvude vahe, korrutis ja jagatis.

Reaalarv   on definitsiooni järgi suurem kui arv  , see tähendab  , kui

 

See definitsioon ei sõltu jadade   klassist   ja   klassist   valikust.

Ratsionaalarvude süsteem sisestatakse reaalarvude süsteemi täiendava kokkuleppe abil, mille järgi jada

 

mille kõik liikmed on võrdsed ühe ja sellesama ratsionaalarvuga  , defineerib sellesama arvu, nii et  . Teiste sõnadega, iga klass  , mis sisaldab statsionaarset jada  , samastatakse arvuga  . Niisiis, reaalarvude hulk, mille konstrueerisime, on ratsionaalarvude hulga laiend.

Sellega on reaalarvude hulga konstrueerimine lõpule viidud.

Edasi saab toodud definitsioonide abil tõestada reaalarvude teadaolevad omadused.

Reaalarvude hulga täielikkusRedigeeri

Definitsioonist järeldub, et iga ratsionaalarvude fundamentaaljada koondub mingiks reaalarvuks. See printsiip oli reaalarvu definitsiooni aluseks. Tänu sellele lisandusid ratsionaalarvudele irratsionaalarvud – ratsionaalarvude nende fundamentaaljadade piirväärtused, millel ratsionaalarvude seas piirväärtust ei olnud.

Tekib õigustatud küsimus, kas analoogset täielikustamise protseduuri ei või läbi viia veel kord, juba konstrueeritud reaalarvude hulgal. Osutub, et see protseduur ei anna uut tulemust, sest igal reaalarvude fundamentaaljadal on piirväärtus reaalarvude seas. Seda reaalarvude hulga omadust nimetatakse täielikkuseks. Ja väide, et iga reaalarvude fundamentaaljada koondub, ongi Cauchy koonduvuskriteeriumi põhisisu.

Sama ideed kasutas hiljem Felix Hausdorff, kui ta tõestas Hausdorffi teoreemi meetrilise ruumi täielikustamisest.

Lõpmatute kümnendmurdude teooriaRedigeeri

  Pikemalt artiklis Kümnendmurd

Lõpmatute kümnendmurdude teooria pärineb Karl Weierstraßilt. 1863. aasta paiku töötas ta välja reaalarvude teooria, mis avaldati tema loengumärkmetena 1872[4]. Muide, Weierstraßi teooria algversioon erineb mõnevõrra lõpmatute kümnendmurdude teooriast, mida esitatakse tänapäeva matemaatilise analüüsi õpikutes.

Ratsionaalarvud ja kümnendmurrudRedigeeri

  Pikemalt artiklis Kümnendmurd

Loeme antuks ratsionaalarvude hulga  . On teada, et iga ratsionaalarvu   saab lahutada kümnendmurruks, mille paneme kirja kujul:

 

Kui kümnendmurruks lahutamise protsess lõpeb lõpliku arvu sammude järel, siis kümnendmurd on lõplik, vastasel juhul lõpmatu.

Iga lõplikku või lõpmatut kümnendmurdu võib vaadelda formaalse reana kujul

 

kus indeksi   väärtused on kas esimesed naturaalarvud   või vastavalt kõik naturaalarvud   . Saab näidata, et rida, mis saadakse ratsionaalarvu   lahutamisel kümnendmurruks, alati koondub ning tema summa võrdub algse ratsionaalarvuga.

Kui ratsionaalarvu lahutamisel kümnendmurruks saadakse lõpmatu kümnendmurd, siis see on alati perioodiline.

Seega vastab igale ratsionaalarvule üksainus kümnendmurd, kuid mõni kümnendmurd (näiteks lõpmatud mitteperioodilised) ei vasta ühelegi ratsionaalarvule. Loomulik on oletada, et ka nendele murdudele vastavad mingid hüpoteetilised arvud, mis ei ole ratsionaalarvud. Võttes vaatluse alla need hüpoteetilised arvud, mida hakkame nimetama irratsionaalarvudeks, just nagu täidame lüngad kõigi kümnendmurdude kogumis.

Seega võtame reaalarvude teooria aluseks oletuse (idee), et iga kümnendmurd on mõne ratsionaal- või irratsionaalarvu (reaalarvu)   lahutus kümnendmurruks:

 

Seejuures tõlgendame seda lahutust samamoodi nagu ratsionaalarvude puhul, nimelt peame reaalarvu   rea

 

summaks.

Lõpmatute kümnendmurdude teooria konstruktsioonRedigeeri

Definitsioon. Reaalarv on lõpmatu kümnendmurd, see on avaldis kujul

 ,

kus   on üks sümbolitest   või  , mida nimetame arvu märgiks,   on mittenegatiivne täisarv,   on kümnendnumbrimärkide (mida võib tõlgendada arvuhulga   elementidena) jada.

Seejuures samastame definitsiooni kohaselt kümnendmurrud   ja  , samuti kümnendmurrud kujul   ja  . Selle kokkuleppe mõte on ilmne, sest neile kümnendmurdudele vastavad ratsionaalarvud langevad kokku.[5]

Loomulik on kohe kokku leppida, et perioodilised lõpmatud kümnendmurrud kujutavad neile vastavaid ratsionaalarve. Teiste sõnadega, me samastame perioodilised kümnendmurrud ratsionaalarvudega. Sellise kokkuleppe puhul on ratsionaalarvude hulk kõikide reaalarvude hulga alamhulk.

Järgneb lõpmatute kümnendmurdude teooria konstruktsiooni visand.

Kõigepealt defineeritakse järjestus kõigi lõpmatute kümnendmurdude hulgal. Aluseks võetakse arvude kümnendjärkude järjestikune võrdlemine suurematest väiksemateni. Olgu näiteks antud kaks mittenegatiivset arvu

 

Olgu   ja   esimesed mittekokkulangevad numbrimärgid   ja   üleskirjutustes. Kui nüüd  , siis definitsiooni kohaselt  , ja kui  , siis  . Kahe mittenegatiivse arvu võrdluse alusel defineeritakse mis tahes kahe reaalarvu võrreldavus.

Saab näidata, et defineeritud võrdlusseos   annab lõpmatute kümnendmurdude hulgal lineaarselt järjestatud hulga struktuuri. Samuti saab näidata, et perioodiliste kümnendmurdude korral langeb kehtestatud järjestussuhe kokku juba olemasoleva võrreldavusseosega ratsionaalarvude seas.

Pärast lõpmatute kümnendmurdude hulgal järjestusseose defineerimist tõestatakse reaalarvu teooria jaoks põhimõtteline teoreem täpsest ülemrajast. See teoreem väljendab asjaolu, et reaalarvude järjestatud kogumil on pidevuse (Dedekindi täielikkuse) omadus.

Nüüd laiendatakse aritmeetilised tehted, mis on juba defineeritud ratsionaalarvude seas, pidevuse alusel kõigile reaalarvudele.

Nimelt, olgu   ja   kaks reaalarvu. Nende summaks nimetatakse reaalarvu  , mis rahuldab järgmist tingimust:

 

Saab näidata, et seda tingimust rahuldav reaalarv eksisteerib ja on ainuke.

Analoogselt defineeritakse realarvude korrutamine. Kahe positiivse reaalarvu   ja  korrutiseks nimetatakse reaalarvu  , mis rahuldab järgmist tingimust:

 

Nagu ka liitmise puhul, seda tingimust rahuldav arv eksisteerib ja on ainuke. Pärast seda on lihtne defineerida kahe suvalise märgiga reaalarvu korrutis.

Saab kontrollida, et reaalarvude hulgal defineeritud liitmise ja korrutamise tehe langevad kokku ratsionaalarvude liitmise ja korrutamise tehtega.

Sellega on lõpmatute kümnendmurdude teooria konstruktsioon lõpule viidud. Edasi saab antud definitsioonide põhjal tõestada reaalarvude teadaolevad omadused, mis puudutavad aritmeetilisi tehteid ja järjestust.

Lõpuks olgu märgitud, et pärast reaalarvude jada piirväärtuse ja rea summa defineerimist saab tõestada, et iga reaalarv on oma kümnendlahutuse rea summa. See tähendab, kui

 ,

siis

 .

Ajalooline kommentaarRedigeeri

Weierstrass ise vaatles pisut teistsugust konstruktsiooni[4][6].

Ülalesitatud teooriat võib lühidalt määratleda teooriana formaalsetest ridadest kujul

 ,

kus   on mittenegatiivne täisarv ning   on – kümnendnumbrimärgid.

Weierstrass aga vaatles formaalseid ridasid üldisemal kujul:

 ,

kus   on suvalised mittenegatiivsed täisarvud.

On ilmne, et niisuguses konstruktsioonis saab reaalarvu kujutada lõpmata paljudel viisidel. Peale selle on selge, et kaugeltki mitte kõigile niisugustele ridadele ei saa omistada arvväärtust. Näiteks rida

 

hajub.

Sellepärast Weierstrass esiteks vaatleb ainult koonduvaid ridasid (ta defineerib need read tõkestatud osasummadega ridadena (vaata mittenegatiivsete liikmetega rea koonduvuse kriteeriumi) ning teiseks defineerib sellel hulgal ekvivalentsusseose. Reaalarv defineeritakse ekvivalentsete koonduvate ridade klassina.

Reaalarvude defineerimisiis kümnendmurdude abil, see tähendab lahutuse abil mitte kõikide alikvootsete murdude (see on murdude kujul  ) kaupa, vaid ainult kümne astmete   kaupa on mugavam, sest sellega saavutatakse reaalarvu rea kujul kujutamise ühesus. Kui aga tulla tagasi Weierstrassi üldise viisi juurde, siis saab ilmsiks analoogia Weierstrassi lähenemise ja Cantori lähenemise vahel. Cantor defineeris reaalarvu ratsionaalarvude koonduvate jadade ekvivalentsusklassina, kusjuures jada koonduvuse määratlemiseks ta kasutas Cauchy kriteeriumi. Weierstrass tegi sedasama, ainult et koonduvate jadade asemel vaatles ta koonduvaid ridasid ning jada koonduvuse Cauchy kriteeriumi asemel kasutas ta mittenegatiivsete liikmetega rea koonduvuse tunnust (muide, ekvivalentne teoreem monotoonse jada piirväärtusest kannab Weierstrassi nime).

Lõigete teooria ratsionaalarvude vallasRedigeeri

Richard Dedekindi teooria on kõige lihtsam ja ajalooliselt esimene range reaalarvuteooria. Erinevalt Cantori ja Weierstrassi analüütilisest lähenemisest on Dedekindi teooria aluseks geomeetrilised kaalutlused, millest tuleneb selle näitlikkus.

Dedekindi teooria väärtus seisneb selles, et peale reaalarvude konstrueerimise toodi seal esimest korda välja pidevuse mõiste matemaatiline olemus. See mõiste on matemaatilise analüüsi aluseks ning seda oli sajandeid kasutatud, viidates selle ilmsusele või geomeetrilistele kaalutlustele.

Dedekind lõi oma teooria 1858, kuid see avaldati esmakordselt 1872 väikeses brošüüris "Stetigkeit und irrationale Zahlen"[7] (Pidevus ja irratsionaalarvud). See raamat on tänini üks paremaid ja arusaadavaid aine esitusi. Siinne esitus järgib põhilises Dedekindi mõttekäiku.

KüsimuseasetusRedigeeri

Dedekindi ajal tuli diferentsiaalarvutuse kursuse esituses, mis enamasti kasutas rangeid meetodeid, mõne väite tõestamisel siiski tugineda geomeetrilisele näitlikkusele.

Näiteks kui tõestati teoreemi monotoonse jada piirväärtusest, siis joonestati sirgjoon, millele märgiti punktid  , mis kujutasid jada   liikmeid. Edasi öeldi näiteks, et "ilmselt" eksisteerib punkt  , millele punktid   piiramatult lähenevad, või et niisugune punkt "peab" eksisteerima, sest arvsirge on "punktidega pidevalt täidetud". Edasi, kuna igale punktile sirgel vastab mingi ratsionaal- või irratsionaalarv, siis punktile   vastava arvu   korral kehtib:  . Dedekind ütleb: "Sageli öeldakse, et diferentsiaalarvutus tegeleb pidevate suurustega, ent mitte kuskil ei anta selle pidevuse definitsiooni, ja isegi diferentsiaalarvutuse kõige rangemal esitamisel ei rajata tõestusi pidevusele, vaid apelleeritakse enam-vähem teadlikult kas geomeetrilistele ettekujutustele või ettekujutustele, mis saavad alguse geomeetriast, või lõpuks rajatakse tõestus teesidele, mida endid pole mitte kunagi tõestatud puhtaritmeetilisel teel."

Vajadust kasutada puhtaritmeetilise (arvude kohta käiva) väite tõestamiseks kasutada geomeetrilisi kaalutlusi tekitab teatava rahulolematuse tunde ning annab tunnistust "aritmeetika puudulikust põhjendatusest", arvu range ja täieliku teooria puudumisest. Ent kui isegi pidada lubatavaks geomeetrilist argumentatsiooni, tekib küsimus pidevusest sirge enese punktide suhtes. Osutub, et sirge pidevuse mõistel puudub siin loogiline definitsioon.

Sellest lähtudes püstitas Dedekind järgmised kaks ülesannet:

1. Leida loogiline formuleering sirge põhiomadusele, mis kätkeb meie näitlikes ettekujutustes "sirge pidevast täidetusest punktidega".
2. Konstrueerida arvu range puhtaritmeetiline teooria, nii et need arvude süsteemi omadused, mille põhjendamiseks varem oli kasutatud näitlikke geomeetrilisi ettekujutusi, nüüd järelduksid arvu üldisest definitsioonist.

Ratsionaalarvude võrdlus sirge punktidegaRedigeeri

Dedekind lähtub ratsionaalarvudest, mille omadused ta loeb teadaolevateks. Ratsionaalarvude süsteemi kõrvutab ta sirge   punktide kogumiga, et tuua välja viimase omadused.

Ratsionaalarvud   moodustavad kogumi, millel on antud aritmeetilised tehted liitmine ja korrutamine, millel on teatud omadused. Kogum   on lineaarselt järjestatud: mis tahes kahe erineva arvu   ja   korral võib öelda, et üks neist on teisest väiksem.

Sirge   punktide kogum on samuti lineaarselt järjestatud hulk. Kahe punkti   ja   vaheline järjestusseos väljendub siin selles, et üks punkt   asetseb teisest   vasakul.

Selle sarnasuse ratsionaalarvude ja punktide vahel saab välja arendada, seades nende vahele vastavuse. Nii saadakse arvsirge. Selleks valitakse sirgel kindel algpunkt, kindel pikkusühik ehk ühiklõik ehk skaala lõikude mõõtmiseks ning positiivne suund. Iga   jaoks saab konstrueerida vastava pikkuse, ning asetades selle algpunktist paremale või vasakule olenevalt sellest, kas arv   on positiivne või mitte, saame kindla punkti  , mis vastab ratsionaalarvule  .

Seega saab igale ratsionaalarvule   seada vastavusse kindla punkti  . Seejuures vastavad eri arvudele eri punktid. Kui arv   on väiksem kui  , siis punkt  , mis vastab arvule  , asetseb vasakul punktist  , mis vastab arvule  . Teiste sõnadega, kehtestatud vastavus säilitab järjestuse.

Sirge pidevusRedigeeri

Ühtlasi osutub, et sirgel   on lõpmata palju arve, mis ei vasta mitte ühelegi ratsionaalarvule. See järeldub ühismõõdutute lõikude olemasolust, mis oli teada juba antiikajal (näiteks ruudu diagonaali ja külje ühismõõdutus, see tähendab arvu   (ruutjuur kahest) irratsionaalsus.

Piltlikult öeldes on sirge   täidetud punktidega tihedamalt kui ratsionaalarvude kogum   arvudega. Me näeme, et ratsionaalarvude hulga sees on tühjad kohad, mis vastavad neile sirge punktidele, millele ei leidunud vastavat ratsionaalarvu, sellal kui sirge kohta ütleme, et ta on "punktidega pidevalt täidetud". Dedekind ütleb: "Eelnev ratsionaalarvude valla võrdlus sirgega viis selleni, et esimeses avastati lünklikkus, mittetäielikkus ehk katkelisus, sellal kui sirgele me omistame täielikkuse, lünkade puudumise, pidevuse."

Milles see pidevus õigupoolest seisneb? Kuidas seda sirge omadust matemaatiliselt väljendada?

Dedekind teeb järgmise tähelepaneku. Kui   on sirge kindel punkt, siis sirge kõik punktid jagunevad kaheks klassiks: need, mis asetsevad punktist   vasakul, ja need, mis asetsevad punktist   paremal; punkti   võib aga suvaliselt arvata kas esimesse või teise klassi. Ühtlasi kehtib sirge punktide kohta pöördprintsiip: "Kui sirge punktid jagunevad kaheks niisuguseks klassiks, et iga esimese klassi punkt asetseb asetseb igast teise klassi punktist vasakul, siis eksisteerib üks ja ainult üks punkt, mis tekitab sirge niisuguse jagunemise kaheks klassiks, sirge niisuguse lõigatuse kaheks tükiks."

Geomeetriliselt tundub see väide ilmsena, kuid tõestada me seda ei suuda. Dedekind osutab, et tegelikult ei ole see printsiip midagi muud kui postulaat, milles väljendub sirge pidevuse olemus. Kui võtame selle postulaadi omaks, siis omistame sirgele selle omaduse, mida me nimetame tema pidevuseks. "Selle omaduse omaksvõtmine pole midagi muud kui aksioom, mille abil me alles mööname sirgele pidevuse, paigutame mõttes sirge sisse pidevuse."

Selgitame Dedekindi printsiibi sisu ja geomeetrilist tõlgendust. Kujutame ette, et kõik sirge punktid on värvitud kahte värvi – roheliseks ja punasekd, nii et iga rohelist värvi punkt asetseb vasakul igast punast värvi punktist.

On geomeetriselt ilmne, et peab eksisteerima sirge niisugune punkt, milles värvid puutuvad kokku. See punkt jagabki sirge kaheks klassiks: kõik rohelist värvi punktid asetsevad temast vasakul ja kõik punast värvi punktid paremal. Selles seisnebki Dedekindi printsiip.

Sealjuures peab ka kokkupunktepunkt ise olema kindlat värvi, sest tingimuse kohaselt on värvitud eranditult kõik sirge punktid. See punkt peab olema kas roheline, olles sel juhul viimane roheline punkt, või punane, olles sel juhul esimene punane punkt. Nagu on kerge näha, need kaks varianti välistavad teineteist: esimesel juhtumil ei eksisteeri esimest punast punkti – eksisteerivad kokkupuutepunktile kui tahes lähedased punased punktid, kuid esimest nende seas ei ole, teisel juhtumil aga puudub analoogsetel põhjustel viimane roheline punkt.

Nüüd pöörame tähelepanu sellele, millised loogilised võimalused me välistasime, apelleerides geomeetrilisele näitlikkusele. Kerge on näha, et neid on ainult kaks: esiteks võiks juhtuda, et üheaegselt eksisteerivad nii viimane roheline kui ka esimene punane punkt; teiseks võiks juhtuda, et pole ei viimast rohelist ega esimest punast punkti.

Esimese olukorra kohta öeldakse, et leiab aset hüpe. Selline pilt on võimalik sirge korral, millest on välja visatud terve intervall vahepealseid punkte.

Teise olukorra kirjeldamiseks kasutatakse terminit "lünk". See pilt võib aset leida sirge korral, millest on eemaldatud terve lõik, kaasa arvatud selle otsad – sealhulgas juhtum, kui on eemaldatud üksainus punkt.

Seega tähendab sirge pidevus, et temas ei ole ei hüppeid ega lünki – lühidalt, ei ole tühje kohti.

On märkimisväärne, et ülaltoodud pidevuse definitsioon on rakendatav mis tahes elementide järjestatud kogumile.

Pidevus Dedekindi järgiRedigeeri

Anname nüüd pidevuse täpse definitsiooni Dedekindi järgi, mis on rakendatav suvalisele lineaarselt järjestatud hulgale.

Definitsioon. Olgu   lineaarselt järjestatud hulk. Hulkade   ja   järjestatud paari nimetatakse lõikeks järjestatud hulgal   ning hulki   ja   endid selle lõike vastavalt alumiseks ja ülemiseks klassiks, kui on täidetud järgmised tingimused:

1. Klassid on mittetühjad:

 

2. Järjestatud hulga   iga element kuulub vähemalt ühesse klassidest:

 

3. Alumise klassi iga element on väiksem ülemise klassi suvalisest elemendist:

 

Lõiget tähistame  .

Definitsioon. Lineaarselt järjestatud hulka   nimetatakse pidevaks (Dedekindi järgi), kui tema mis tahes lõike puhul kas alumises klassis leidub suurim element ja ülemises klassis ei leidu vähimat või ülemises klassis leidub vähim element ja alumises klassis ei leidu suurimat (niisuguseid lõikeid nimetatakse Dedekindi lõigeteks).

Näitena vaatleme ratsionaalarvude hulka. Kerge on näha, et selles ei saa olla hüppeid: kui   on alumise klassi maksimaalne element,   on ülemise klassi minimaalne element, siis arv  , mis asetseb   ja   vahel keskel, ei saa kuuluda ei alumisse ega ülemisse klassi, mis on vastuolus lõike definitsiooniga.

Samal ajal on ratsionaalarvude hulga sees tühikud – just neis kohtades, kus peavad asuma irratsionaalarvud. Vaatleme näiteks lõiget  , mille defineerivad hulgad

 

Kerge on näha, et see on tõesti lõige, kuid alumises klassis ei ole maksimaalset elementi ja ülemises klassis ei ole minimaalset. Seega on tegu lüngaga.

Irratsionaalarvude konstrueerimineRedigeeri

Seega ratsionaalarvude kogum ei ole pidev: selles on lüngad. Et konstrueerida reaalarvude hulk, mille elemendid assotsieeruvad reaalarvudega, tuleb täita kõik lüngad ratsionaalarvude kogumis.

Ratsionaalarvude hulga iga lüngatüüpi lõike   korral lisame kogumile   uue elemendi (irratsionaalarvu)  , mis definitsiooni kohaselt on suurem igast alumisse klassi kuuluvast arvust   ning väiksem igast ülemisse klassi kuuluvast arvust  . Sellega täidamegi lõike klasside vahelise tühja koha. Me ütleme, et lõige   defineerib irratsionaalarvu   ehk irratsionaalarv   tekitab lõike  .

Ühendades kõik võimalikud juhtumid, võime öelda, et iga lõige ratsionaalarvude vallas defineerib mingi ratsionaal- või irratsionaalarvu, mis selle lõike tekitab.

Definitsioon. Mall:Razr nimetatakse iga lõiget ratsionaalarvude hulgas, mille alumises klassis ei ole suurimat elementi ja mille ülemises klassis ei ole vähimat elementi.

Definitsioon. Mall:Razr nimetatakse ratsionaal- ja irratsionaalarvude hulga ühendit. Reaalarvude hulga iga elementi nimetatakse Mall:Razr.

Reaalarvude hulk on defineeritud järjestusseose suhtes lineaarselt järjestatud.

Mall:Razr Reaalarvude hulk on pidev Dedekindi järgi.

See lause vajab tõestust.

Liitmis- ja korrutamistehe defineeritakse reaalarvude hulgal pidevuse järgi (nagu ka lõpmatute kümnendmurdude teoorias). Nimelt, kahe reaalarvu   ja   summaks nimetatakse reaalarvu  , mis rahuldab järgmist tingimust:

 

Reaalarvude hulga pidevusest järeldub, et niisugune reaalarv   on olemas ja on ainus. Peale selle, kui   ja   on ratsionaalarvud, siis see definitsioon langeb kokku tavalise kahe ratsionaalarvu summa definitsiooniga. Analoogselt defineeritakse korrutamine ja tõestatakse tehete ning järjestusseose omadused.

Reaalarvude aksiomaatikadRedigeeri

Reaalarvude hulk kui pidev järjestatud korpusRedigeeri

Hulka   nimetatakse reaalarvude hulgaks ning selle elemente reaalarvudeks, kui on täidetud järgmine tingimuste kompleks, mida nimetatakse reaalarvude aksiomaatikaks:

Korpuse aksioomidRedigeeri

Hulgal   on defineeritud kujutus (liitmise binaarne tehe)

 ,

mis seab igale elementide järjestatud paarile   hulgast   vastavusse mingi elemendi   sellest samast hulgast  , mida nimetatakse   ja   summaks (  on hulga   elemendi   ekvivalentne üleskirjutus).

Hulgal   on defineeritud ka kujutus (korrutamise tehe)

 ,

mis seab igale elementide   järjestsatud paarile hulgast   vastavusse mingi elemendi  , mida nimetatakse   ja   korrutiseks.

Sealjuures kehtivad järgmised omadused:

  Liitmise kommutatiivsus. Mis tahes   korral
 
  Liitmise assotsiatiivsus. Mis tahes   korral
 
  Nullelemendi olemasolu Leidub nullelemendiks nimetatav element  , millel on omadus, et mis tahes   korral
 
  Vastandelemendi olemasolu. Mis tahes   korral leidub   vastandelemendiks nimetatav element  , millel on omadus, et
 
  Korrutamise kommutatiivsus. Mis tahes   korral
 
  Korrutamise assotsiatiivsus. Mis tahes   korral
 
  Ühikelemendi olemasolu. Leidub ühikelemendiks nimetatav element  , millel on omadus, et mis tahes   korral
 
  Pöördelemendi olemasolu. Mis tahes   korral leidub   pöördelemendiks nimetatav element  , ehk  , millel on omadus, et
 
  Korrutamise distributiivsus liitmise suhtes. Mis tahes   korral
 
  Korpuse mittetriviaalsus. Ühikelement ja nullelement on hulga   erinevad elemendid :

 

Järjestuse aksioomidRedigeeri

Hulga   elementide vahel on defineeritud binaarne seos  , st mis tahes elementide   järjestatud paari korral hulgast   on kindlaks määratud, kas seos   kehtib või mitte. Sealjuures kehtivad järgmised omadused.

  Refleksiivsus. Mis tahes   korral

 

  Antisümmeetria. Mis tahes   korral

 

  Transitiivsus. Mis tahes   korral

 

  Lineaarne järjestatus. Mis tahes   korral

 

  Liitmise ja järjestuse seos. Mis tahes   korral

 

 Korrutamise ja järjestuse seos. Mis tahes   korral

 

Pidevuse aksioomidRedigeeri

  Pikemalt artiklis Reaalarvude hulga pidevus
  Olgu antud mis tahes mittetühjad hulgad   и  , nõnda et mis tahes kahe elemendi   ja   korral kehtib võrratus  , siis leidub niisugune arv  , et kõigi   ja   korral kehtib seos
 

Kokkuvõte ja definitsioonRedigeeri

Neist aksioomidest piisab, et rangelt järeldada reaalarvude kõik teadaolevad omadused[8].

Tänapäeva algebra keeles tähendavad esimese rühma aksioomid, et hulk   on korpus. Teise rühma aksioomid tähendavad, et hulk   on lineaarselt järjestatud hulk (  ), kusjuures järjestusseos on kooskõlas korpuse struktuuriga (  . Hulki, mis rahuldavad esimese ja teise rühma aksioome, nimetatakse järjestatud korpusteks. Lõpuks, viimane rühm, mis koosneb ühest aksioomist, väidab, et reaalarvude hulgal on pidevuse omadus, mida nimetatakse ka täielikkuseks.

Kokkuvõttes võib anda realarvude hulga definitsiooni:

Definitsioon. Reaalarvude hulgaks nimetatakse pidevat järjestatud korpust.

Reaalarvude hulk kui maksimaalne arhimeediline järjestatud korpusRedigeeri

On ka teisi reaalarvude aksiomaatikaid. Näiteks võib pidevuse aksioomi   asemel kasutada mis tahes muud sellega samaväärset tingimust või tingimuste rühma. Näiteks David Hilberti pakutud aksiomaatikas on rühmade   ja   aksioomid sisuliselt samad mis ülaltoodud aksiomaatikas, kuid aksioomi   asemel kasutatakse järgmist kaht tingimust:

  Archimedese aksioom. Olgu  [9] ja  . Siis elementi   saab liidetavana korrata nii palju kordi, et tulemiks saadav summa on suurem kui  :

 

  Täielikkuse aksioom (Hilberti mõttes). Süsteemi   pole võimalik laiendada mitte ühegi süsteemini  , nõnda et hulga   elementide vaheliste endiste seoste säilides oleks   korral täidetud kõik aksioomid   ,  .

Seega võib anda järgmise samaväärse definitsiooni:

Definitsioon. Reaalarvude hulk on maksimaalne arhimeediline järjestatud korpus.

Tarski reaalarvude aksiomaatikaRedigeeri

Aastal 1936 esitas Alfred Tarski reaalarvude aksiomaatika, mis koosneb ainult 8 aksioomist ja 4 algmõistest: reaalarvude hulk R, a binaarne seos täielik järjestus hulgal R, mida tähistab <, binaarne tehe liitmine hulgal R, mida tähistab +, ja konstant 1.

Seda aksiomaatikat kirjanduses mõnikord mainitakse, kuid üksikasju kunagi ei esitata, kuigi ta on ökonoomne ning tal on elegantsed metamatemaatilisi omadusi. See aksiomaatika on vähe tuntud, võib-olla sellepärast, et ta on teist järku. Tarski aksiomaatikat võib vaadelda versioonina tavalisest reaalarvude definitsioonist ainsa Dedekindi mõttes täieliku järjestatud korpusena; ent ta on muudetud tunduvalt lühemaks (näiteks aksioomid 4 ja 5 võtavad kokku tavalised neli Abeli rühma aksioomi).

AksioomidRedigeeri

Järjestuse aksioomid (algmõisted: R, <):

Aksioom 1
Kui x < y, siis ei pea paika, et y < x. See tähendab, "<" on asümmeetriline seos.
Aksioom 2
Kui x < z, siis leidub y, nii et x < y ja y < z. Teiste sõnadega, "<" on tihe hulgal R.
Aksioom 3 
"<" on Dedekindi mõttes täielik. Formaalsemalt, kõikide XY ⊆ R korral, kui kõikide x ∈ X ja y ∈ Y korral x < y, siis leidub z, nii et kõikide x ∈ X ja y ∈ Y korral x ≤ z ja z ≤ y. Siin on u ≤ v lühend, mis tähendab "u < v või u = v".

Liitmise aksioomid (algmõisted: R, <, +):

Aksioom 4 
x + (y + z) = (x + z) + y.
Aksioom 5
Kõikide x, y korral leidub z, nõnda ett x + z = y.
Aksioom 6
Kui x + y < z + w, siis x < z või y < w.

Ühikelemendi aksioomid (algmõisted: R, <, +, 1):

Aksioom 7
1 ∈ R.
Aksioom 8
1 < 1 + 1.

Nendest aksioomidest järeldub, et R on lineaarselt järjestatud Abeli rühm liitmise suhtes koos märgitud elemendiga 1. R on ka Dedekindi mõttes täielik ja jagatav.

See aksiomaatika ei anna esimest järku teooriat, sest aksioom 3 on formuleeritud kahe üldisuskvantoriga üle hulga R kõigi võimalike alamhulkade.

Kuidas need aksioomid toovad kaasa korpuseRedigeeri

Tarski visandas (mittetriviaalse) tõestuse, kuidas nendest aksioomidest ja algmõistetest tuleneb binaarne tehe korrutamine, millel on oodatavad omadused, nõnda et R on täielik järjestatud korpus.

KirjandusRedigeeri

Lõpmatu kümnendarendusRedigeeri

Iga reaalarvu saab esitada kümnendmurdude abil lõpmatu kümnendarenduse kujul; näiteks

  • 1 = 1,0000000... või 0,99999999...
    • ½ = 0,5000000... või 0,49999999...
    • -1/3 = -0,3333333...
    • 8/7 = 1,142857142857142857...
    • e = 2,718281828459045235...
    • 'L = 0,110001000000000000000001000...

Viimased kaks (Napieri arv ja Liouville'i arv) on mitteperioodilised kümnendmurrud ning seetõttu irratsionaalarvud, teised aga on perioodilised kümnendmurrud ning seega ratsionaalarvud.

Reaalarvude korpusRedigeeri

Reaalarvude hulk   moodustab oma aritmeetiliste tehetega "+" ja "·" korpuse (reaalarvude korpuse), mis on kompleksarvude korpuse   alamkorpus.

AjaluguRedigeeri

Reaalarvu mõiste tekkis ratsionaalarvu mõiste laiendamisel. Vajaduse selleks tingis vajadus väljendada mis tahes suuruse väärtust arvuna ning püüd laiendada tehete rakendatavust (juurimine, logaritmimine, algebraliste võrrandite lahendamine).

Naiivne reaalarvude teooriaRedigeeri

Esimeses arenenud arvusüsteemis, mis konstrueeriti vanakreeka matemaatikas, olid ainult naturaalarvud ja nendes suhted (proportsioonid), tänapäeva mõistes ratsionaalarvud. End peagi selgus, et geomeetrias ja astronoomias sellest ei piisa: näiteks ruudu diagonaali ja külje suhe ei ole esitatav ei naturaal- ega ratsionaalarvuna.

Olukorra lahendamiseks võttis Eudoxos kasutusele lisaks arvu mõistele geomeetrilise suuruse (lõigu pikkuse, pindala või ruumala) mõiste. Eudoxose teooria on meieni jõudnud Eukleidese esituses ("Elemendid", 5. raamat). Eudoxose teooria on oma olemuselt reaalarvude geomeetriline mudel. Tänapäeva seisukohast on arv niisuguse lähenemise puhul kahe homogeense suuruse (näiteks uuritava suuruse ja ühiksuuruse; ühiksuurused võisid olla omavahel ühismõõduta) suhe. Eudoxos jäi siiski ustavaks varasemale traditsioonile: ta ei vaadelnud sellist suhet arvuna; sellepärast tõestatakse "Elementides" paljud teoreemid arvude omaduste kohta uuesti suuruste jaoks. Dedekindi klassikaline reaalarvude konstruktsioon on oma põhimõtetelt väga lähedane Eudoxose esitusele. Ent Eudoxose mudel on mitmes suhtes ebatäielik: näiteks ei sisalda ta pidevuse aksioomi, puudub suuruste või nende suhete aritmeetiliste tehete üldine teooria.

Olukord hakkas muutuma esimestel sajanditel pKr. Juba Diophantos Aleksandriast vaatles erinevalt varasemast traditsioonist murde samamoodi nagu naturaalarve, ning oma "Aritmeetika" 4. raamatus ta isegi kirjutas ühe tulemuse kohta: "Arv osutub mitteratsionaalseks." Pärast antiikteaduse lõppu nihkusid esiplaanile India ja islami matemaatikud, kes pidasid iga mõõtmistulemust arvuks. Tasapisi said sellised vaated valdavaks ka keskaegses Euroopas, kus esialgu eristati ratsionaalarve ja irratsionaalarve (sõna-sõnalt "mittemõistuspäraseid" arve), mida nimetati ka kujuteldavateks, absurdseteks, kurtideks jne. Irratsionaalarvude saamine täieõiguslikeks on seotud Simon Stevini töödega. Stevin kuulutas: "Jõuame järeldusele, et pole olemas mingeid absurdseid, irratsionaalseid, ebaõigeid, seletamatuid ega kurte arve, vaid arvude seas valitseb niisugune täius ja kooskõla, et meil tuleb ööd ja päevad mõtiskleda nende hämmastava lõpetatuse üle." Tema legaliseeris teatud reservatsioonidega ka negatiivsed arvud ning töötas välja ka kümnendmurdude teooria ja sümboolika; sellest ajast hakkasid need välja tõrjuma ebamugavaid kuuekümnendmurde.

Saja aasta pärast andis Isaac Newton oma "Universaalses aritmeetikas" (1707) (reaal)arvu klassikalise definitsiooni mõõtmistulemusena ühiketaloni suhtes: "Arv ei ole mitte niivõrd mitme ühiku kogum kui mingi suuruse abstraktne suhe teisesse temaga homogeensesse, mis on ühikuks võetud." Kaua aega peeti seda rakenduslikku definitsiooni piisavaks, nii et reaalarvude ja reaalarvuliste funktsioonide praktika seisukohast tähtsaid omadusi ei tõestatud, vaid neid peeti intuitiivselt ilmseteks (geomeetrilistel või kinemaatilistel kaalutlustel). Näiteks peeti ilmseks asjaolu, et pidev kõver, mille punktid asetsevad eri pooltel teatud sirgest, lõikab seda sirget. Puudus ka pidevuse range definitsioon. Sellepärast oli paljudes definitsioonides vigu või ebamääraseid või liiga laiu formuleeringuid.

Isegi veel siis, kui Augustin Louis Cauchy oli välja töötanud matemaatilise analüüsi range aluse, olukord ei muutunud, sest puudus reaalarvude teooria, millele matemaatiline analüüs oleks saanud tugineda. Sellepärast tegi Cauchy vigu, toetudes intuitsioonile seal, kus see viis vääradele järeldustele: ta eeldas näiteks et pidevate funktsioonide rea summa on alati pidev.

Range teooria loomineRedigeeri

Esimese katse täita lünk matemaatika alustes tegi Bernard Bolzano oma artiklis "Puhtanalüütiline tõestus teoreemile, et mis tahes kahe väärtuse vahel, mis annavad vastupidise märgiga tulemid, on vähemalt üks võrrandi reaalarvuline juur" (1817). Selles teedrajavas töös ei ole veel reaalarvude terviklikku süsteemi, kuid juba esitatakse pidevuse tänapäevane definitsioon ja näidatakse, et sel alusel saab pealkirjas mainitud teoreemi rangelt tõestada. Hilisemas töös "Lõpmatuse paradoksid" esitas Bolzano reaalarvude üldise teooria visandi, mis on ideede poolest lähedane Georg Cantori hulgateooriale, kuid see tema töö jäi autori eluajal avaldamata ja ilmus alles 1851. Bolzano vaated olid ajast tunduvalt ees ega äratanud matemaatilises üldsuses tähelepanu.

Reaalarvu ranged teooriad rajasid 19. sajandi lõpus Georg Cantor, Richard Dedekind ja Karl Weierstrass, samuti Eduard Heine ja Charles Meray. Weierstrass, Dedekind ja Cantor esitasid erinevad, kuid ekvivalentsed reaalarvude konstruktsioonid.

Vaata kaRedigeeri

ViitedRedigeeri

  1. 1,0 1,1 Кантор Г.Труды по теории множеств, toim А. Н. Колмогоров, Ф. А. Медведев, А. П. Юшкевич, Moskva, НАУКА, 1985, Классики науки, lk 9–10}}
  2. Арнольд И. В. Теоретическая арифметика, lk 277
  3. Tegelikult tegi Cauchy kindlaks rea koonduvuse tingimuse, mis samuti kannab tema nime, kuid kumbki nendest kriteeriumidest järeldub hõlpsasti teisest.
  4. 4,0 4,1 Даан-Дальмедико А., Пейффер Ж. Пути и лабиринты. Очерки по истории математики, lk 287–289.
  5. Mõnikord vaadeldakse selleks, et vastavus reaalarvude hulga ja lõpmatute kümnendmurdude hulga vahel oleks üksühene, mitte kõiki, vaid ainult lubatavaid kümnendmurde, mõeldes nende all kõiki neid, millel ei ole ainult üheksast koosnevat perioodi ja mis ei ole murd .
  6. Рыбников К. А. История математики, kd 2, lk 197.
  7. Venekeelne tõlge "Непрерывность и иррациональные числа"
  8. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа, kd 1.
  9.