Текст
                    

АКАДЕМИЯ педагогИ Ч Е С К И X НАУК РСФСР ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ МАТЕМАТИКИ ПОЛ РЕДАКЦИЕЙ П. С. АЛЕКСАНДРОВА, А. и. маркушевича’ и А. Я. ХИНЧИНА О» О КНИГА ПЕРВАЯ АРИФМЕТИКА БОГЕНА .iAiEMA ГИЧЕСКОГО Колледжа НМУ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1951 ЛЕНИНГРАД
11-5-2 Редактор А. 3. Рывкин. Техн, редактор Н. Я. Мурашова. Подписано к печати 12/XII 1950 г. Бумага 60X921/je. 14 бум. л. 28 печ. л. 30,11 уч.-изд. л. 44.444 печ. знак, в печ- л. Т-09193. Тираж 0000 эк к Цена книги 10 р. 55 к. Переплёт 2 р. Заказ ЛЬ 875. 2-я типография «Печатный Двор» им. А. М. Горького Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Ленинград, Гатчинская. 26.
Фесечко П.Ф. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.................................................. 6 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ (И. Г. Башмакова и А. П. Юшкевич) Введение ................................................... 11 § 1. Начальная стадия развития счёта ................... 15 § 2. Непозиционные системы счисления . . . . ........... 27 § 3. Алфавитные системы нумерации..................... 31 § 4. Поместные или позиционные системы счисления........ 38 § 5. Распространение позиционного принципа записи чисел в Западной Европе и в России........................ 50 § 6. Дроби.............................................. 57 Заключение.................................................. 72 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АРИФМЕТИКИ (И. В. Проскуряков) Введение........................................................ 77 7 Глава I. Множества............................................. 80 § 1. Понятие о- множестве................................. 80 § 2. Операции над множествами............................. 82 § 3. Функция, отображение, мощность....................... 84 § 4. Конечные и бесконечные множества..................... 89 § 5. Упорядоченные множества. . . . .*.................... 95 Глава II. Группы, кольца и поля................................................. 100 , § 6. Группа.......................................................... 100 § 7. Кольцо.............................................................. 108 § 8. Поле........................................ 113 § 9. Аксиоматическое построение математики. Изоморфизм . . . 120 § 10. Расположенные кольца и поля........................... 125 Глава III. Натуральные числа.................................. 133 § 11. Аксиомы натуральных чисел........................... 133 § 12. Сложение............................................ 135 § 13. Умножение........................................... 139 § 14. Порядок............................................. 142 § 15. Индуктивные определения. Сумма и произведение несколь- ких чисел 145 § 16. Вычитание и деление................................. 150 § 17. Замечания о системе аксиом натуральных чисел........ 152
4 ОГЛАВЛЕНИЕ Глава IV. Кольцо целых чисел.................................. 157 § 18. Принцип расширения в арифметике и алгебре........... 157 § 19. Эквивалентность и разбиение на классы............... 159 § 20. Определение кольца целых чисел...................... 160 . § 21. Свойства целых чисел............................. 168 Глава V. Поле рациональных чисел.............................. 172 § 22. Определение поля рациональных чисел................. 172 § 23. Свойства рациональных чисел......................... 179 Глава VI. Поле действительных чисел........................... 188 § 24. Полные и непрерывные поля. ....................... 188 § 25. Определение поля действительных чисел.............. 202 § 26. Свойства действительных чисел....................... 214 § 27, Аксибматическое определение действительных чисел .... 222 Глава VII. Поле комплексных чисел............................. 227 § 28. Определение поля комплексных чисел.................. 227 § 29. Свойства комплексных чисел.......................... 233 § 30. Гиперкомплексные числа, кватернионы................. 241 Литература................................................ 252 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЧИСЕЛ (А. Я- Хинч ин) Глава I. Делимость и простые числа............................ 255 § 1. Введение.......................................... 255 § 2. Однозначное разложение чисел на простые множители. . . 256 § 3. О простых числах.................................... 262 Глава II. Метод сравнений..................................... 271 § 4. Введение ........................................... 271 § 5. Сравнения и их основные свойства................... 272 § 6. Классификация чисел по данному модулю............... 277 § 7. Сравнения, содержащие неизвестные .................. 282 Глава III. Алгорифм Евклида и цепные дроби.................... 291 § 8. Алгорифм Евклида.................................... 291 § 9. Элементарная теория цепных дробей................... 297 Глава IV. Представление чисел систематическими и цепными дробями...................................................... 307 § 10. Введение............................................ 307 §11. Систематические дроби............................... 308 § 12. Цепные дроби........................................ 315 Глава V. Цепные дроби и диофантовы приближения................ 322 § 13. Подходящие дроби в роли наилучших приближений...... 322 § 14. Диофантовы приближения.............................. 335 Глава VI. Алгебраические и трансцендентные числа.......... 342 § 15. Теорема Лиувилля и первое появление трансцендентных чисел..................................................... 342 § 16. Метод Кантора....................................... 347 § 17. Арифметическая природа классических постоянных..... 349 Литература................................................ 352
ОГЛАВЛЕНИЕ 5 УСТНЫЙ И ПИСЬМЕННЫЙ СЧЁТ. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ВЫЧИСЛЕНИЙ (В. М. Брадис) Глава I. Общие сведения о счёте и приближённых вычислениях 357 § 1. Общие соображения об изучении счёта в школе......... 357 § 2. Счёт устный......................................... 359 § 3. Счёт письменный..................................... 362 § 4. Вспомогательные средства вычисления................. 365 § 5. Приближённые значения............................... 377 § 6. Различные способы оценки точности приближённых значений. 380 § 7. Обработка результатов измерений.................... 383 Глава 11. Учет погрешностей.................................. 388 § 8. Вычисления со строгим учётом погрешностей по способу границ................................................... 388 § 9. Вычисления со строгим учётом погрешностей по способу границ погрешностей...................................... 392 § 10. Предельные погрешности результатов действий над при- ближёнными значениями. Правила подсчёта цифр............ 400 § 11. Средние квадратические погрешности результатов дейст- вий над приближёнными числами. Принцип академика А. Н. Крылова............................................ 405 § 12. Распределение погрешностей в результатах вычислений 411 § 13. Практические применения правил подсчёта цифр. Сводка этих правил.............................................. 413 Глава Ill. Различные вопросы................................. 421 § 14. Приближённые формулы. Сокращённые приёмы действий . 421 § 15. Математические таблицы............................. 427 § 16. Графические вычисления............................. 429 § 17. Счётная логарифмическая линейка................... ^431 § 18. Вычислительная работа в разные годы обучения...... '437 Литература .............................................. 441 Алфавитный указатель...............'............ч............ 442
ПРЕДИСЛОВИЕ Издание «Энциклопедии элементарной математики» задумано Академией педагогических наук РСФСР как пособие для учителей математики средней школы и студентов физико-математических фа- культетов педагогических и учительских институтов. Его назначе- ние— дать систематическое изложение научных основ школьного предмета математики. Отсюда вытекают особенности этого издания. Прежде всего труд этот не может служить для первоначального изучения предмета. Он предназначается для людей, изучавших эле- ментарную математику и уже ставших или готовящихся стать пре- подавателями элементарной математики. Он не следует, как пра- вило, ни порядку, ни способу изложения математики в средней школе, так как то и другое обусловлено возрастными особенно- стями учащихся и общеобразовательными целями средней школы, т. е. соображениями, которые не играют роли по отношению к под- готовленному читателю-профессионалу. Логика нашего издания — это логика систематического, по возможности простого и доступ- ного, изложения тех вопросов математической науки, из которых строится школьный курс, а также и тех, которые хотя и не нахо- дят в этом курсе прямого выражения, однако необходимы для пра- вильного и сознательного его понимания и создают перспективы для дальнейшего развития содержания и методов школьного курса. Всё издание рассчитано на 7 книг объёмом от 350 до 450 стра- ниц в каждой. Хотя эти книги и их разделы подчинены единому плану, всё же, как правило, ими можно пользоваться независимо одна от другой. Более того, разделы этих книг также могут читаться в большой мере независимо друг от друга. В то же время в отдель- ных статьях книги встречаются ссылки на ту или иную статью «Энциклопедии» х). Вот общий план издания: Книга первая. Арифметика. Происхождение систем счисления. Понятия множества, груп- пы, кольца и поля; теоретические основы арифметики. Элементы теории чисел. Устный и письменный счёт; вспомогательные сред- ства вычислений. 1) Ссылки на статьи из той же книги сопровождаются указанием со- ответствующих страниц; при ссылках на статьи, помещённые в других кни- гах «Энциклопедии», указывается «См. Э. э. м.» и приводятся номер книги и название статьи.
ПРЕДИСЛОВИЕ 7 Книга вторая. Алгебра. Векторные пространства и линейные преобразования. Кольцо многочленов и поле рациональных функций. Численные и графиче- ские методы решения уравнений. Книга третья. Анализ. Функции и пределы; рациональная, степенная, показательная и логарифмическая функции; тригонометрические функции и обратные им. Элементы дифференциального и интегрального исчислений. Эле- ментарные функции комплексного переменного. Книга четвёртая. Геометрия, часть I. Топологические понятия. Основания геометрии. Понятие о не- евклидовых геометриях. Элементы аналитической и проективной геометрии. Геометрические преобразования. Измерение площадей, длин, объёмов и поверхностей. Книга пятая. Геометрия, часть II. Многоугольники и многогранники. Круги и сферы. Применения к геодезии и астрономии. Замечательные кривые и поверхности. Задачи на построение. Методы графических изображений. Книга шестая. Различные вопросы. Комбинаторика. Элементы теории вероятностей и математической статистики. Знаменитые математические задачи. Математические парадоксы и софизмы. Математические развлечения и игры. Книга седьмая. Методология и история мате- мат и к и. Математика и её место среди других наук, основные этапы её развития, методы и задачи. Очерк истории математики.Математика в Советском Союзе. Приложение. Терминологический словарь. Первая книга открывается статьёй И. Г. Башмаковой и А. П. Юш- кевича, посвящённой системам счисления и нумерации, рассматри- ваемым в культурно-историческом разрезе. Далее идёт обширная статья И. В. Проскурякова, задача кото- рой заключается в построении теоретических основ арифметики. В двух первых главах статьи рассматриваются весьма общие мате- матические понятия, значение которых далеко выходит за пределы арифметики и которые неоднократно используются как в первой книге, так и в дальнейших. Это понятия множества, группы, кольца и поля. Центральное место в статье занимает аксиоматическое изложе- ние теории натуральных чисел; это — теоретический фундамент всей арифметики. На основе теории натуральных чисел развёртывается в порядке последовательного обобщения теория целых, рациональ- ных, действительных и, наконец, комплексных чисел. Автор знако- мит также с дальнейшими обобщениями понятия числа (гиперком- плексные числа). Вся статья в целом принадлежит к числу наиболее
8 ПРЕДИСЛОВИЕ трудных и отвлечённых во всём настоящем издании; трудности здесь коренятся в самом существе дела. Читатель, не заинтересованный в первую очередь вопросами логического обоснования арифметики, может опустить эту статью, обращаясь по мере надоб- ности для справок к её первым двум главам. Статья А. Я- Хинчина излагает наиболее элементарные и важные вопросы теории чисел. Сюда относятся вопросы, связанные с тео- рией делимости, в частности теория цепных (непрерывных) дробей и вопросы приближения иррациональных чисел посредством рацио- нальных. Наконец, статья В. М. Брадиса посвящена вопросам округления чисел, правилам приближённых вычислений, подсчёта погрешностей и вспомогательным средствам вычислений, включая логарифмическую линейку. Существенным дополнением к первой книге должны служить сведения об этапах исторического развития понятия числа, о посте- пенном и весьма длительном формировании общего понятия нату- рального числа, о развитии понятия дроби, о том прообразе позд- нейшей теории действительных положительных чисел, который сло- жился у древних греков (в «Началах Евклида»), о развитии понятия отрицательных и комплексный чисел в связи с теорией уравнений, а впоследствии — аналитической геометрией и анализом. Эти сведения не выделяются нами в отдельную статью; они включаются в общий очерк истории математики, помещаемый в последней книге всего издания. Реоакция
И. Г. БАШМАКОВА и А. П. ЮШКЕВИЧ ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ Целью всякой нумерации является изображение любого нату- рального числа с помощью небольшой группы индивидуальных зна- ков. Этого можно было бы достичь при помощи одного единствен- ного знака 1 (единицы). Каждое натуральное число тогда записы- валось бы путём повторения символа единицы столько раз, сколько в этом числе содержится единиц. Сложение свелось бы к простому приписыванию единиц, а вычитание — к их вычёркиванию. Лежащая в основании такой системы идея веРьма проста, однако система эта является крайне неудобной. Для записи больших чисел она практи- чески неприменима и ею пользовались только народы, счёт которых не простирался дальше одного-двух десятков. Наиболее совершенным принципом записи чисел является тот, на котором основана наша десятичная система нумерации. В этой нумерации все числа от I до 9 обозначаются индивидуальными сим- волами 1, 2, 3, ... , 9. К ним присоединяется знак 0 для нуля. Любое натуральное число может быть изображено при помощи только этих десяти знаков по принципу поместного или по- зиционного значения. Всякое натуральное число п однозначно представимо в виде /г = ат10т-]-апь.110т 1 ... Д-Й! 10а0, где а{ могут принимать значение 0, 1, 2, ... , 9. Тогда число п. в позиционной системе запишется так: n = • • • а^. Каждый символ af получает значение, определяемое; 1) его на- чертанием, 2) его положением в записи числа. Если, например, мы хотим записать четыре тысячи, мы должны поставить цифру 4 на четвёртое место, считая справа; остальные три разряда в данном случае отсутствуют, поэтому на их место ставятся нули: 4000. Таким же образом символ 4 может означать 4 единицы, 4 десятка, 4 сотни и т. д., смотря по тому положению, которое он ванимает. Несмотря на кажущуюся простоту такой системы записи, она явилась продуктом длительного исторического развития, и в созда- нии её принимали участие целые народы. Можно сказать даже, что
12 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ создание такой системы является делом всего человечества. Изве- стный французский математик и физик XVIII — XIX вв. Лаплас писал: «Мысль выражать все числа 9 знаками, придавая им, кроме значения по форме, ещё значение по месту, настолько проста, что именно из-за этой простоты трудно понять, насколько опа удиви- тельна. Как нелегко было' притти к этой методе, мы видим на при- мерс, величайших гениев греческой учёности Архимеда и Аполлония, от которых эта мысль осталась скрытой». В качестве основания позиционной системы могут быть взяты и другие числа, отличные от 10. Многие учёные, например, считали, что более удобным основанием было бы число 12, имеющее больше делителей: 2, 3, 4, 6. Особенно широкое распространение десятич- ной системы связано с количеством пальцев на наших руках. На это обстоятельство впервые обратил внимание Аристотель в своих «Проблемах». Десятичная система на самом деле не обладает ка- кими-либо особыми преимуществами, выделяющими её из позицион- ных систем с другим основанием. Выбор основания является прин- ципиально произвольным. Разумеется, оно не должно быть слишком большим, так как в этом случае система будет содержать слишком много цифр, очень громоздка будет в ней таблица умножения и т. д. С другой стороны, оно не должно быть и слишком маленьким ’). Свидетельством того, что не во все эпохи системы нумерации совпадали с нашей современной, служит уже наша речь. В назва- ниях числительных вовсе не заметно того единообразия, которое имеет место в их записи. Так, в нашем родном языке, кроме раз- личных названий для девяти первых натуральных чисел 1, 2,..., 9 и нуля, имеется специальное название для десяти (тогда как при письме мы обозначаем десять, как 10, т. е. с помощью 1 и 0). Такие же специальные названия существуют для ряда единиц выс- ших разрядов: сорок 2), сто, тысяча, миллион и т. д. Далее, числа, начиная с 11 до 19, мы называем один-на- дцать, ___, девят-на-дцать, т. е. называем некоторое число от 1 до 9 с добавлением «на десять». Частица «на» здесь, очевидно, не означает умножения, и о её происхождении мы скажем ниже. Числа от 21 до 99 произносятся большею частью по тому же принципу, по которому они записываются: два-дцать один (два- десять один), тридцать два и т. д. Исключениями служат числи- тельные сорок и девяносто 3). Числа, имеющие индивидуальные, не ‘) Сущность нумерации с произвольным основанием была впервые ра- зобрана Б. Паскалем в сочинении De numens multiplicibus ex sola characte- rum numericorum additione agnoscendis («О делимости чисел, выведенной с помощью одного сложения их цифр», 1654, опубл. 1665). в) Число 40 в русской нумерации и у многих народов Востока играло особую роль, о чём будет сказано ниже. *) Слово девяносто не относится к узловым (см. ниже). Есть предполо- жение, что оно возникли как сочетаниэ «девять до ста».
ВВЕДЕНИЕ 13 разложимые на составные числительные наименования (Длин, два, десять, сорок, сто, тысяча, ...), мы будем называть узловыми. Числа, наименования которых получаются комбинированием наимено- ваний узловых чисел, мы будем называть алгорифмическими. Как мы увидим, отличие в наименовании тех и других отражает от- личие в их происхождении *). Аналогичные явления имеют место и в других языках. Например, во французском языке сохранились явные остатки двадцатиричной непозиционной системы. Двадцать является тем новым узловым числом, название которого не складывается из названий первых десяти чисел: vingt. Число 80 произносится, как «четыре-два- дцать», quatre-vingts, 90-—как «четыре-двадцать-десять», quatre-vingts- dix, 120 — как «шесть-двадцать», six-vingts. В старофранцузском языке, кроме того, 140 произносилось, как «семь-двадцать», 160 — как «восемь-двадцать», 300 — как «пятнадцать-двадцать» и т. д. В романских, немецком, английском языках, как и в русском языке, имеются специальные названия для ста, тысячи и т. д. Следы два- дцатиричной системы сохранились, кроме французского, в английском, голландском языках. Так, по-английски слово score означает наряду с иными понятиями число 20, a three score, т. е. «три-двадцать»,— шестьдесят. В скандинавских языках сильны, кроме того, следы пятиричной системы. Таким образом: 1) современная письменная система счисления является строго позиционной, а устная не является строго позиционной; 2) письменная является строго десятичной, устная сохраняет следы существования пятиричной и иных систем; 3) в письменной системе существует только десять узловых чисел 0, 1, 2, ... , 9, в устном счёте имеются и другие узловые числа, каждое из которых служит основанием своей местной си- стемы, т. е. основанием некоторого отрезка числового ряда, а не всего числового ряда (например, в русском языке, начиная от ста, счёт идёт путём комбинирования ста с меньшими узловыми или алгорифмическими числами: сто один, сто два и т. д.). Можно заметить, что наша устная речь отражает более раннюю стадию счёта, чем наша нумерация. Так, например, римская пись- менная нумерация, предшествовавшая появлению нашей позиционной системы, родственна по своей структуре устной нумерации совре- менных европейских народов. *) Различение «перстов» (числа до 10), «составов» (целых десятков) и «сочинений» (прочие числа в пределах до ста) имеется в «Арифметике» Л. Магницкого (1703). Наиболее ранний известный пример подобного распре- деления чисел встречается у Герберта в X в. (digit!, articuli, compositi). Оче- видно, что мы имеем здесь дело с отражением того же разделения чисел па узловые и алгорифмические. Несомненна также связь терминов «персты» и «суставы» с пальцевым счётом.
14 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Узловыми числами в римской нумерации являются: I — единица, V — пять, X — десять, L — пятьдесят, С — сто, D — пятьсот, М — тысяча. Нуля там нет. Система эта является десятичной непозицион- ной с сильными следами пятиричной системы (индивидуальные сим- волы для 5, 50, 500). Все алгорифмические числа получаются в ре- зультате сложения и вычитания узловых. Например, число 1948 в этой системе запишется так: MCMXLVIII. Примерно в том же отношении, в каком римская письменная нумерация находится к современному устному счёту, способы счёта многих так называемых «первобытных» народов находились к рим- ской системе нумерации. Уже из сказанного понятно, что для вы- яснения происхождения систем счисления (как современной пози- ционной, так и непозиционных) мы должны будем использовать и этнографический и языковедческий материал.
§ 1. Начальная стадия развития счёта Понятие числа является одним из основных понятий современной математики. Оно является и одним из древнейших понятий. Все культурные народы, обладавшие письменностью, уже имели понятие о числе и те или иные системы счисления. О понятии числа в до- исторические времена мы можем судить лишь по косвенным данным. Источником здесь является, во-первых, языкознание, во-вторых, этнография, позволяющая на основании изучения культуры народов, стоящих по классификации Энгельса на стадии дикости и варвар- ства, судить об аналогичных периодах жизни предков современных культурных народов. К сожалению, долгое время собирание этно- графического материала составляло монополию миссионеров и коло- низаторов. А к концу XIX в., когда ходом развития науки внимание учёных было с особенной силой обращено к доисторическим вре- менам жизни человечества, то оказалось, что так называемых «пер- вобытных» народов почти нет. Империалистическая политика капи- талистических стран привела к этому времени к почти поголовному истреблению многих туземных племён. Так, например, австралийское племя тасманийцев к началу XX в. было совершенно уничтожено. То же произошло и с когда-то многочисленным племенем абипо- нов-—обитателей Южной Америки. При восстановлении стадий развития числа приходится, таким образом, довольствоваться весьма скудным материалом. Однако вопрос о происхождении этого понятия настолько важен, что и та неполная картина, которую удаётся воссоздать, имеет большое зна- чение, в частности для разоблачения существующей буржуазной идеалистической «теории», согласно которой понятие числа и даже всего натурального ряда является у человека врождённым. Изве- стно, например, ходячее изречение Кронекера: «Целые числа создал господь бог, всё остальное — дело рук человеческих». Изучение начальных этапов развития числа и других основных математических понятий полностью опровергает подобные буржуазные «теории». Объективное исследование показывает связь происхождения этих понятий с производственной практикой коллективов первобытных обществ, выясняет, что сама наша «интуиция» не является катего- рией неизменной и что даже самые, казалось бы, «изначальные»
16 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ наши понятия вовсе не являются в действительности врождёнными. Изучение начальных этапов развития числа покажет нам, что и це- лые числа были созданы людьми, что и они — дело рук челове- ческих. Среди буржуазных учёных XIX в. (Тейлор и др.) было также распространено мнение, что «первобытный» человек получал все свои знания о мире путём наблюдения явлений природы, сопоста- вления с ранее виденным и логических выводов. «Первобытный» человек при этом выступал как некий философ-созерцатель. В дей- ствительности человек начал не с теоретизирования, а с труда, с борьбы за существование, не с пассивного наблюдения природы, а с преобразования её. Маркс в «Замечаниях на книгу А. Вагнера» писал, что отноше- ние человека к природе с самого начала выступает не как теоре- тическое, а как практическое, т. е. основанное на действии. «Как и всякое животное, они (т. е. люди первобытного’ общества.— Авторы) начинают с того, чтобы есть, пить и т. д., т. е. не „стоять" в каком-нибудь отношении, а активно действовать, овла- девать при помощи действия известными предметами внешнего мира и таким образом удовлетворять свои потребности» *). Труд, — писал Энгельс в «Диалектике природы», — есть «первое основное условие человеческого существования, — и это в такой мере, что мы в известном смысле должны сказать: труд создал самого человека» 2). Именно в процессе труда были созданы и такие основ- ные понятия, как число, натуральный ряд, фигура, были выработаны простейшие правила счёта и навыки измерения длин, площадей и объёмов. При этом понятия числа и фигуры и их основные свойства яви- лись отражениями свойств и отношений реальных предметов внеш- него мира. «Понятия числа и фигуры, — писал Энгельс, — заимствованы именно из действительного мира. Десять пальцев, на которых люди учи- лись считать, т. е. производить первое арифметическое действие, представляют что угодно, но только не свободное творение рас- судка. Для счёта необходимы не только объекты счёта, но также уже и способность, при рассмотрении этих объектов, отвлекаться от всех их свойств, кроме их числа, а эта способность — продукт долгого исторического эмпирического развития» 3). Посмотрим же, каковы были представления о числе и натураль- ном ряде на первых стадиях культурного развития человечества, и проследим, как, постепенно меняясь и совершенствуясь, они до- стигли современного уровня. *) К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XV, стр. 461. г) К. М а р к с и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XIV, стр. 452. а) К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XIV, стр. 39.
НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁТА 17 К сожалению, материалы, имеющиеся в нашем распоряжении, не позволяют достаточно определённо связать различные этапы разви- тия счёта с данной Энгельсом в работе «Происхождение семьи, частной собственности и государства» периодизацией доисториче- ских ступеней культуры. Ещё и в наше время известны народы, в языке которых имеются только два числительных: один и два. У многих племён Австралии и Полинезии в самое недавнее время этим дело и ограничивалось. При помощи сочетания названных числительных эти племена обра- зуют числа 3 = два-один, 4 —два-два, 5 = два-два-один, 6 = два- два-два. Так, например, у западных племён островов Торресова пролива единственными числительными являются 1—урапун и 2 — окоза. Далее они считают 3 — окоза-урапун, 4 = окоза-окоза, 5 = — окоза окоза-урапун, 6 = окоза-окоза-окоза. Этот способ счёта положил начало древнейшей из всех систем счисления-—двоичной системе ’). Следы её мы находим неоднократно в египетском спо- собе умножения и деления, в системе египетских дробей 1 2), в том, что во многих языках, например в старославянском, наряду с един- ственным и множественным числами имеется и двойственное число3). 1) Для устной и письменной нумерации двоичная система неудобна, так как запись чисел в ней слишком длинна (например, число 777 в пей запи- шется 1100 001001), но она имеет и существенные преимущества. На принципиальные достоинства двоичной системы первый обратил вни- мание Лейбниц, отмечавший особую простоту операций в ней (таблицы сло- жения и умножения сводятся к 1 -|- 1 = 10, 1-1 = 1; при делении не нужны догадки и пробы). Лейбниц не рекомендовал эту систему взамен десятичной для практического счёта, но подчёркивал, что «вычисление с помощью двоек, т. е. 0 и 1, в вознаграждение его длипнот, является для науки основным и порождает новые открытия, которые оказываются полезными впоследствии, даже в практике чисел, а особенно в геометрии: причиной чего служит то об- стоятельство, что при сведении чисел к простейшим началам, каковы 0 и 1, всюду выявляется чудесный порядок» (в Explication de I’arithmetique binaire, qui se sert des seals caracteres 0 et 1, avec des remarques sur son utilite, 1703 в Leibnizens matheniatische Schriften, hsg. v. С. I. Gerhardt, т. VII, Halle, 1863, стр. 225; ср. там же письма Лейбница к Шулепбургу от 1698 г.). Дей- ствительно, двоичная система оказалась весьма удобной в ряде теоретиче- ских исследований. Лейбниц, однако, не предвидел, что двоичная система принесёт пользу в вычислительной математике, — именно будет положена в основу устройства электронных счётных машин, как это произошло в последнее время. Произ- водство вычислений па таких машинах' с избытком компенсирует затрату труда па переход от десятичной системы к двоичной в начале операций и обратный переход в окончательном результате. См. Л. Д. Кудрявцев, О принципах производства арифметических операций на вычислительных машинах. Успехи математических наук, т. V, вып. 3 (1950). а) См. в параграфе, посвящёвном дробям, о роли половинного ряда в старинных русских дробях. 8) В некоторых языках существовало и тройственное число как пере- житок троичной системы. На особую древность первых трёх числительных указывает и то обстоятельство, что во многих языках они в отличие от остальных числительных изменяются по родам (один, одна, одно; два, две; лат. tres, tria). 2 Эццикдоведпн. ни. 1.
18 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ О числах выше 6 островитяне Торресова пролива говорят «много- много», «множество» или «неисчислимо» *). У некоторых племён слова «много», «неисчислимо» применяются для обозначения всех чисел 3. Таким образом, на этой стадии натуральный ряд является конеч- ным и состоит подчас только из двух членов. Но не следует думать, что племена, у которых существуют числительные только для единицы и для двух, не умеют сосчиты- вать совокупности, состоящие более чем из двух или шести пред- метов. Человек научился в известном смысле «считать» задолго до того, как появились названия чисел. Один из наблюдателей пишет об абипонах, у которых существовали лишь числительные один, два и три, что, сбираясь на охоту, они, сидя уже в седле, осматри- ваются вокруг, и если нехватает хотя бы одной из многочисленных собак, которых они содержат, то они принимаются звать её. На- блюдателя особенно удивило, каким образом, не умея считать, аби- поны способны были сейчас же сказать, что среди такой значитель- ной своры нехватает одной собаки. Дело в том, что на этой стадии численность воспринимается как одно из свойств совокупности предметов, характеризующее эту совокупность наряду с другими свойствами: цветом, формой, размером и т. д. А именно, это свойство характеризует совокуп- ность, во-первых, со стороны её целостности (все ли предметы данной совокупности имеются налицо), а во-вторых, в чисто по- рядковом соотношении с другими совокупностями, составленными из тех же предметов (больше или меньше одна совокупность, чем другие). Очевидно, такой «счёт» был достаточен только на той стадии развития человечества, когда, грубо говоря, нечего было считать, когда ещё хозяйство племени стояло на очень низком уровне, а межплеменные связи не были налажены. Итак, на первой стадии развития числа оно представляет собой отдельные числа-свойства или числа-качества конкретных совокуп- ностей предметов с едва намечающимися порядковыми соотноше- ниями. В настоящее время уже не известны народы, счёт кото- рых остановился бы на этой первой стадии, соответствующей в основном первой и второй ступеням дикости. «Счёт» числами-свой- ствами сохранился у некоторых племён только в качестве пере- житка. ') Следы того, что число 7 служило одновременно для обозначения не- определённой множественности и у наших предков, сохранились в русском языке в виде пословиц и поговорок, например: «Семеро одного не ждут», «Семь раз отмерь, один раз отрежь», «У семи нянек дитя без глаза» и т. д. Во всех этих пословицах слово «семь», очевидно, употребляется в смысле «много».
НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁТА 19 С изобретением лука и стрел, с переходом к систематическим охотам, с расселением деревнями и налаживанием связей, сначала—• между отдельными деревнями, а затем и между племенами, короче — с переходом к высшей ступени дикости старый «счёт» числами- свойствами оказался уже недостаточным. Нужно было уже не только уметь определять «на-глаз» численность некоторой совокупности, но и уметь сообщать о её численности. Например, нужно было передать нескольким племенам, что через определённое количество новолуний назначается сбор для переговоров или совместной охоты, или передать, чтобы все союзные племена через определённый срок выставили бы некоторое число воинов. Для этого а'рунта (австра- лийцы) и полинезийцы пользуются следующим способом: когда число, подлежащее счёту, оказывается большим, туземцы прибегают к помощи различных частей тела, из которых каждая имеет своё название и своё точно обусловленное место в этой системе счи- сления. Определённое число перечисленных таким образом частей тела, начиная с мизинца одной из рук, означает такое же число воинов, дней или месяцев, судя по обстоятельствам. Счёт обычно начинается с мизинца левой руки, перебираются все пальцы, затем переходят к запястью, локтю, плечу и т. д. до .мизинца правой руки, после чего, если совокупность ещё не исчер- пана, идут в обратном порядке. В деловых отношениях туземцу достаточно вспомнить, до какой части своего тела он дошёл при подсчёте предметов и, воспроизведя счёт, начиная со своего левого мизинЦа, вновь найти искомое число. У островитян Торресова пролива на человеческом теле изобра- жаются таким образом числа до’ 33. Если пересчитываемая сово- купность имеет более 33 членов, то они прибегают к пучку пало- чек. Именно то обстоятельство, что при исчерпании всех частей тела, каждая из которых индивидуализирована, люди прибегают к пучку палочек (причём все палочки пучка примерно одинаковы), даёт нам ключ к пониманию первоначального назначения такой «живой» шкалы. Ясно, что сначала она была нужна не для инди- видуализации чисел, а лишь для установления равночисленности двух совокупностей, или, иначе, для установления взаимно одно- значного соответствия между предметами обеих этих совокуп- ностей. Пережитки такого способа счёта сохранились у многих племён, стоявших на более высокой стадии развития. Так, некоторые из них для тех же целей пользовались верёвкой с узелками, другие — чётками или просто бирками (деревянные палочки с зарубками). Племена Перу вели запись чисел при помощи верёвок с узелками (так называемое квипу, рис. 1). Верёвки связывались по четыре вместе и к ним присоединялась пятая верёвка, на которой при помощи узлов выражалось число, являющееся суммой чисел на первых четырёх верёвках. Узлы, обозначающие единицы, десятки и 2*
20 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ РИС. 1
НЛЧАЧЬНАЯ СТАЦИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁТА 21 сотни в данном числе, были различно?! формы. В. период владыче- ства инков (XI—XVI вв. н. э.) при помощи таких квипу «записы- вались» настоящие бухгалтерские отчёты. Такие рерёвки с узел- ками служили только для записи чиселJ). Для производства ариф- метических операций употреблялись камешки или зёрна маиса. Однако число на этой стадии не воспринималось как то общее, что имеют между собой все равночисленные совокуп- ности. Тогда просто удовлетворялись констатированием равно- численности. В тех случаях, когда сосчитываемая совокупность содержала небольшое количество предметов (=s 20), обычно выбиралась не- которая определённая совокупность из множества совокупностей, имеющих одинаковое число предметов, и про остальные совокуп- ности этого множества говорили, что в них столько же предметов, сколько в этой выбранной. Например, чтобы выразить, что в не- которой совокупности пять предметов, говорили, что в ней столько же предметов, сколько пальцев на руке. Общее свой- ство всех равночисленных конечных множеств — число—-выража- лось через свойство «особенного» множества, некоторого вы- бранного частного множества из этой совокупности. Интересно, что у племён, стоящих на отмеченной стадии развития, применяется тот же приём для образования и других понятий. Так, у тасманий- цев не было слов для обозначения общих понятий вроде твёрдый, горячий, холодный, круглый и т. д. Для обозначения твёрдости они говорили «как камень», чтобы выразить, что предмет круглый, говорили «как луна» или «как шар». То же имело место и для обозначения цветов. На этой стадии нет и таких общих понятий, как дерево или рыба, но существуют отдельные слова для обо- значения каждого вида рыб йли деревьев. Итак, эта фаза в истории возникновения отвлечённых чисел характеризуется изображением сосчитываемых множеств при по- мощи частей тела, особенно пальцев рук и ног, палочек, узлов верёвки и т. д. Несмотря на крайнюю примитивность этого спо- соба изображения, он сыграл исключительную роль в развитии понятия числа. Действительно, существенной стороной этого приёма является то, что в нём мы имеем способ изображения всех *) Геродот следующим образом описывает распоряжение Дария, данное им ионийцам после переправы через реку' Истр во время предпринятого им похода па скифов (VI в. до н. э.): «После этого царь завязал па ремне шестьдесят узлов, позвал па совещание всех ионийских тиранов и сказал им: „прежде высказанное мною решение относительно моста, ионийцы, я от- меняю; теперь возьмите этот ремень и поступите так: пачипая как раз с того времени, когда я пойду па скифов, развязывайте па ремне каждый день по одному узлу; если бы за этот промежуток времени я не явился бы назад и миновало бы число дней, обозначенное узлами, плывите обратно па родину; а до той поры оберегайте мост, приложите всяческое старание к защите его и сохранению в целости"».
22 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ исчисляемых множеств при помощи одной определённой системы, приведённой с ними в соответствие. Такой способ счёта при своём дальнейшем развитии привёл к созданию пятиричной, десятичной и двадцатиричной систем счис- ления. Например, жители Миралуги (остров в Торресовом проливе) говорят: 5 = набигет, 10 = набигет, набигет, 15 —набикоку, 20 = набикоку, набигет. Гет означает руку, коку — ногу. При этом наблюдатель добавляет: «Не следует думать, что набигет является именем числительным 5, оно выражает только, что дело идёт о стольких же предметах, сколько на руке пальцев». По сообщению нашего замечательного учёного-путешественника Н. Н. Миклухи-Маклая туземцы новой Гвинеи считают следующим образом: «Излюбленный способ счёта состоит в том, что папуас загибает один за другим пальцы руки, причём издаёт определённый звук, например, „бе, бе, бе“... Досчитав до пяти, он говорит „ибон-бе“ (рука). Затем он загибает пальцы другой руки, снова повторяет „бе, бе"..., пока не доходив до „ибон-али“ (две руки). Затем он идёт дальше, приговаривая „бе, бе“..., пока не доходит до „самба-бе“ и „самба-алии (одна нога, две ноги). Если нужно-счи- тать дальше, папуас пользуется пальцами рук и ног кого-нибудь Другого» *). Аналогичные наименования числительных зарегистрированы и у многих других племён. С этой стадией развития числа и счёта связан получивший широкое распространение счёт на пальцах (так называемый инструментальный счёт). С пальцевым счётом, как го- ворилось, связано было и деление на «персты» и «суставы». Все вышеописанные стадии развития числа можно отнести ориен- тировочно к периоду дикости. С дальнейшим развитием общества всё больший круг совокуп- ностей попадает в число сосчитываемых. Простое установление равночисленности и ручной счёт уже не мОгут удовлетворять но- вых потребностей коллектива; хотя ручной способ счёта в качестве пережитка сохраняется ещё долгое время2), но основная линия развития, приведшая к созданию натуральных чисел, пошла -в дру- гом направлении. Появившаяся новая система счёта может быть названа групповой или иначе счётом при помощи чисел-совокуп- ностей. Зародыши такого счёта имелись и на более ранних ступенях развития. Так, наблюдатели отмечают у островитян западной части *) Н. Миклухо-Маклай, Путешествия, Изд. АН СССР, 1940, т. I, стр. 280. s) Ещё в 1529 г. в Базеле вышла написанная задолго до того книга Беды Достопочтенного (672—735), в которой излагаются способы счёта на пальцах, причём счёт этот распространяется на все числа вплоть до мил- лиона. Сравнительно до недавнего времени счётом на пальцах пользовались китайские и монгольские купцы.
НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁТА 23 Торресова пролива «отчётливо выраженную склонность считать группами по два, попарно». То же самое отмечает другой наблю- датель относительно счёта на острове принца Йоркского. При этом счёт одних предметов ведётся по преимуществу парами, других — десятками или сотнями и т. д. Таким образом, при счёте опреде- лённого вида предметов предметы эти всегда соединяются в определённые, устойчивые группы. В качестве пережитка такого счёта упомянем счёт дюжинами, вплоть до наших дней сохраняю- щийся в Европе для некоторых групп вещей (рубашки, стулья, посуда, карандаши, резинки, перья). При этом дюжина образовы- вала единицу счёта, дюжина дюжин составляла гросс, а дюжина гроссов — массу1). Особенное распространение такой счёт имел у племён, стоявших на первых двух ступенях варварства. Посте- пенно каждая такая устойчивая группа получала название, которое выражало как вид сосчитываемых предметов, так и их число. Та- кого рода группы, с помощью которых вёлся счёт, мы и будем называть числами-совокупностями. На островах Фиджи и Соломрновых существуют собирательные имена, обозначающие десятки произвольно подобранных вещей: ни числа в отдельности, ни названия предметов они не выражают. На Фиджи имеются также названия для 100 челноков, 100 кокосо- вых орехов, для 1000 кокосовых орехов и т. п. Если две такие группы равночисленны, то это обычно отображается в названии соответствующих чисел-совокупностей. Так, у туземцев Флориды на-куа означает 1.0 яиц, на-банара —10 корзин с продовольствием, но отдельно слово «на», которое соответствовало бы числу 10, не употребляется. На одном из диалектов индейцев Западной Ка- нады слово «тха» означает 3 вещи, тхане — 3 лица, тхат — 3 раза, тхатоэн — в трёх местах и т. д. Но слова, которое бы обозначало отвлечённое число три, там нет. Однако наличие в названиях всех равночисленных совокупностей одной и той же частицы показываег, что на этой стадии уже начинают констатировать, что все такие группы имеют нечто общее, именно, одну и ту же численность. На этой стадии развития не всякой группе предметов приписы- вается число, только те группы являются числами-совокупностями, которые часто встречаются в хозяйственном или ином обиходе племени. Если в VI в. до н. э. пифагорейцы объявили, что «всё есть число», то можно сказать, что на рассматриваемой стадии развития не всё было числом. Числа на этой стадии были именованными по существу, отвле- чённых чисел ещё не существовало. Постепенно устойчивые числа- совокупности начинают рассматриваться как новые единицы, кото- рыми и ведётся счёт. Уже в этом взгляде на некоторую совокуп- *) Двенадцатиричная система встречается и ныне у некоторых племён в Судане.
24 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ ность предметов как на новую единицу счёта заключена возможность создания системы счисления. Со временем такими устойчивыми числами-совокупностями стали считать не только данные предметы, для которых эти числа были установлены, но и предметы, сходные с ними по форме или по употреблению. Таким образом, в некоторых первобытных языках образовалось несколько рядов числительных. Так, в языке чимшие- нов (Британская Колумбия) имеется семь различных рядов чисел, употребляющихся для счёта 1) неопределённых предметов, 2) пло- ских предметов, 3) круглых предметов и деления времени, 4) лю- дей, 5) длинных предметов (числа при этом комбинируются со сло- вом дерево), 6) лодок, 7) мер. Пережитки счёта числами-совокугь ностями наблюдались ещё в Древней Греции. Так, Аристотель в «Метафизике» обсуждает вопрос о том, одинаковы ли единицы в одном и том же числе и являются ли они одинаковыми или раз- личными в разных числах. Ещё Диофант (III в. н. э.) после цифр, выражающих некоторое число, всегда ставил М — первую букву слова novae— единица, т. е. записывал число некоторых одинаковых между собой единиц. Под влиянием обмена один из рядов чисел начал вытеснять все другие. Это был тот числовой ряд, который служил для счёта денег (ими на первых порах являлись раковины или скот). Имена числительные,— как сообщает один наблюдатель, — представляются уму йорубов (йорубы — племя Центральной Африки) одновременно в двух значениях: во-первых, как число, во-вторых, как та вещь, которую йорубы преимущественно пересчитывают, т. е. «каури» — раковины, играющие у йорубов роль монет. Так возникали универ- сальные числа, т. е. такие, с помощью которых можно считать лю- бые предметы. Однако числа-совокупности явились прообразами только наших узловых чисел. Если счёт вёлся десятками, двадцатками или дюжи- нами некоторых предметов, то описанным только что образом не могли возникнуть, например, числа 17 и 19, т. е. алгорифмические числа. Ботее того, если бы все числа возникали по описанной схеме, то они существовали бы как не связанные между собой по- нятия, и количественные отношения между ними были бы совер- шенно неясны. Мы покажем далее, что алгорифмические числа воз- никли путём комбинаций узловых чисел как результат опер а- ц и й, производимых над узловыми числами. При изучении языка кламатов, индейцев Северной Америки, а также племён Британской Колумбии оказалось, что при счёте ими употребляются специальные глаголы, названные исследователями глаголами-классификаторами. Эти глаголы служат для характери- стики определённого способа размещения. Если число предметов устойчивой группы, с помощью которой ведётся счёт, равно 10, то первые 10 чисел не сопровождаются этими глаголами. Этот факт
НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁТА 25 исследователи объясняют особенностями счёта у индейцев. 10 пер- вых сосчитываемых предметов они складывают на землю в стопку или в ряд, а с одиннадцатого предмета начинается новая стопка или ряд. Глаголы-классификаторы не сопровождают также чисел, крат- ных десяти. Таким образом, эти термины служат только для того, чтобы размещать по разрядам единицу или единицы, следующие за десятками, а не самые десятки. Так, чтобы выразить наличие 26 предметов, индеец должен был сказать: «на дважды десять плодов (или других предметов) я кладу сверху шесть». Таким образом, алго- рифмические числа сразу же появляются как результат некоторых операций над узловыми числами. Операции эти вначале были, однако, не арифметическими, а двигательными. Следы этого сохра- нились во многих языках. Так, у нас в русском языке числитель- ные от 10 до 19 произносятся, как соответствующее число единиц «на-десять»: двенадцать (два-на-десять), пятнадцать (пять-на-десять) и т. д. Здесь частичку «на», повидимому, следует понимать именно в смысле «положить на». Хорошей иллюстрацией к способу счёта при помощи опреде- лённого расположения предметов могут служить числовые обозна- чения ацтеков ’) в XV—XVI вв. Так у ацтеков число 6 обозна- чалось ; • | 7 — - • [ - и т. д. Очевидно, основная группа состояла здесь из пяти предметов. Черта отделяла одну такую группу от следующей. Сама черта числового значения не имела. Впоследствии непосредственно двигательный характер операций всё более и более утрачивается, и всё более и более выступает арифметический их смысл. Например, в угро-финских языках число 8 определяется как разность между узловым числом 10 и узловым числом 2. Произносится 8 на этих языках, как «два-десять», 80— как «два, сто»'и 800 — как «два, десять, сто» (здесь «десять, сто» является обозлачением для тысячи). На этой стадии чистовой ряд ещё не мыслится однородным. Узловые числа существуют в нём как некие индивидуальные островки, от которых в ту и в другую стороны располагаются алгорифмические числа. Основную роль в их образовании играет операция сложения, однако наряду с ней принимают участие^вычи- тание и умножение. Так, упомянутые выше йорубы имеют следую- щую систему чисел: 11 = 104-1, 12 = 104-2, ..., 15=10-|-5, 16 = 20 — 4, 17 = 20 — 3, . ., 19 = 20—1. Число 20 является новым узловым; с его помощью образуются дальнейшие числа, причём в их образовании принимают участие как *) Индийское племя, проживающее в Мексике.
26 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ сложение и вычитание, так и умножение. Число 70 в этой системе получается, как 20-4— 10, 190 — как 20-10—10. Аналогичные приёмы сохранились в римской нумерации. Например, чисто XVIII читалось по-латыни: duo de viginti, т. е. 2 из 20. Но числовой ряд на этой стадии не только не является одно- родным, он не является и неограниченным. С развитием понятия числа он сначала лишь всё более удлиняется. При этом слова «много», «неисчислимо», которые употреблялись раньше для обо- значения всех чисел Д==3 или 10, отодвигаются всё дальше, обозначая числа 100, 1000 и т. д. *). Следующий шаг заклю- чается в том, что это слово, означающее первоначально неопреде- лённое множество, становится названием чисел 100 или 1000 в зави- симости от развитости системы счисления данного народа. Так, например, одно и то же слово означает 3 на острове Менгоне, 10 — на острове Фиджи и 10 000 у маорийцев. Маорийцы и народы названных островов имеют примерно одинаковый язык, хотя и стоят на различных ступенях развития культуры. Натуральный ряд не мыслился бесконечным ещё долгое время. Из предисловия к «Исчислению песка» Архимеда видно, что даже грекам в III в. до н. э. ещё не было очевидно, что можно выразить сколь угодно большие числа, например большие, чем число песчинок в сфере радиуса, равного расстоянию от Солнца до неподвижных звёзд. Основная цель сочинения Архимеда заключалась именно в создании систематического приёма построения и словесного обо- значения сколь угодно больших чисел. *) Одпим из ярких примеров такого рода предельных чисел является число 40, которое служило в русском счёте для обозначения неопреде- лённо большого множества. На такую роль этого числа указывает как его индивидуальное название, так и сохранившееся в качестве пережитка упо- требление его для обозначения неопределённо большого количества пред- метов— сорок сороков церквей, сорок сороков чёрных соболей. На ту же роль числа 40 указывает ряд связанных с пим религиозных обычаев и народных поверий: например, сороковой медведь считался последним в жизни охотника «сорок медведей он взял па рогатину, на сорок первом сплошал» (Н. А. Некрасов). В более позднее время, когда число 40 перестало уже быть «предельным», оно стало играть большую роль в русской метрологии в качестве основания системы мер: пуд содержал 40 фунтов, бочка-сороковка — 40 вёдер и т. д. Сорок играло роль предельного числа и у многих народов Ближнего Востока. Это нашло отражение, например, в знаменитом армянском эпосе «Давид Сасупский»: «Спустился в яму Мера-Мелик. Вот сорок буйволовых шкур взвалили па пего, Огромных сорок жерновов взвалили на него...». Кончается эпос поминанием всех его героев: «Великих праотцев наших — сорок раз помянем добром. Санасара и брата его Богдасара — помявем добром. Мгера старшего сорок раз помянем добром».
НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 27 § 2. Непозиционные системы счисления К моменту возникновения письменности строение числового ряда представлялось примерно так: узловые числа, существовавшие как некие индивидуальные понятия, принимались каждое за осно- вание своей, местной системы счисления. Наименьшее из узловых чисел принималось за основание первой системы. Далее, счёт шёл путём прибавления единиц к этому узловому числу, а также путём удвоения, утроения и т. д. этого числа, т. е. путём образования алгорифмических чисел, до тех пор пока не достигалось следующее узловое число. После этого начиналась следующая местная система счисления, основанием которой служило это второе узловое число, а алгорифмические числа этой второй системы составлялись путём комбинаций второго узлового числа с первым. Такие алгорифмиче- ские числа шли до следующего узлового числа, которое служило основанием третьей местной системы счисления и т. д. *). Схема эта могла быть несколько иной: например, алгорифмиче- ские числа могли располагаться по обе стороны от каждого узло- вого числа, получаясь из него как путём сложения, так и путём вычитания меньших узловых чисел. При записи чисел, образованных по первой схеме, получались системы типа египетской иероглифической (табл. 1). Узловыми чис- лами здесь являлись единица Ц , десять Л , сто и тысяча *-), причём символ для тысячи означал первоначально неопределённое множество. Эта запись отражает представление о каждом узловом числе как о новой индивидуальности. Из способа записи не видно, что каждое последующее узловое число получается из предыдущего умножением на десять. Все узловые числа имеют абсолютный харак- тер; Л означает 10 единиц и не может означать, например, 10 де- сятков или 10 сотен. Алгорифмические числа в египетской системе получаются вполне единообразно при помощи единственной ариф- метической операции — сложения. Например, число 333 записывается в этой системе так: . *) Читатель, знакомый с капторовской теорией трапсфинитов, легко за- метит сходство подобного способа образования натурального ряда со спо- собом, употреблённым Каптором. Действительно, Кантор вводит два прин- ципа образования траисфипитов: 1) взятие кратного и прибавление единицы, 2) введение нового индивидуального числа, рассматриваемого как предел предшествующих. Разница та, что в натуральном ряде это новое число^уже дано и всегда достижимо — эго просто следующее узловое число. • *) Полагают, что иероглиф (о являлся изображением мерительной ве- рёвки, делившейся на 100 частей, а иероглиф для тысячи —изображением цветка лотоса.
Табл и па 1 Числовые знаки разных народов El unemckue До сиро- Фини- кийские Сирий- ские 6 Ральмир- ские 7 Греческие Иеро- глифы / Иерати- ческие 2 Демоти- ческие 3 - вави- лонские к Герови- ановы 8 Римские Q 1 0 J 1 i 1 1 1 1 1 ‘1 СИ Ц 4 ту II Н II II II 3 GOD U4 V ууу III PI III III III 4 DODO r\v» ууу \Ш РР НИ 1111 IV а DOO DO 1 9 У У ▼ ТУ II III У Г V 6 'Ш ODO 1 i ТУТ Т f т ИНН ь-* 'У п VI 4 DODO ODD УУУ ТУТ \ III III И—ь ну гп VII .8 №0 (0И ▼ уу УУ У У У II НИИ рр-^ ту пи VIII 9 DCD 009 Ш У УУ УУ у УУУ III III III р|Л_Л пну пш IX 10 n Л A < 7 О A X 11 fill 1Л 1Л I-1 7 'Э Al XI 15 MD ° DO 1Л 1Л /ТУТ \ УУ II III** ЛГ XV 20 no / << И 0 3 ДД XX 30 fififi Л £ <11 -'Д' 70 эз ДДД XXX 40 n nn « <<< < О о 33 АЛДА XL 50 МП M 1 <<< << ыы 700 033 P L 60 ПМ 'ОПП К У ////// ООО 333 РД LX 70 MM non ’J м 7000 гэззз РДД Txx 80 MM MM В ? т<< 2/22/ЕД 0000 3333 РДДД LXXX 90 fiifW how 1U 1 М<< - -HHW 70000 гэзззз РДДЛД XC 100 У^ р| I1 7)' •H C 200 ТУУ »- Pit 7" HH CC 400 (О(д(О(Э ^У» 7)'"' HHHH CD 500 (эой << «М * ТТТУ уу у ► 7)у П D 1000 I A <’► 7)7)' X M 10000 M 1 10ь £2. ю6 uv ki • , • 107 (^) ll 1
НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 29 Египетская система интересна ещё по той роли, которую там играет число два. Повидимому, оно служило первоначально осно- ванием системы счисления. Три было уже символом неопределённой множественности. Это видно из того, что для выражения множе- ственного числа некоторого предмета или понятия египтяне под знаком соответствующего иероглифа ставили три чёрточки. Пережитки двоичной системы отразились в способе умножения египтян, которое они производили путём последовательного удвое- ния и сложения. Например, для умножения некоторого числа п на 15 египтяне поступали (схематически) так: п • 15 =zz (1 —р 2 —22 —j— 23) = /г • 1 +« • 2-\-п • 22-|-л • 23, т. е. они представляли множитель по двоичной системе, а затем умножение производилось отдельно на каждый двоичный разряд. Следы двоичной системы носят на себе и египетские дроби, о чём будет сказано ниже. Системами типа египетской иероглифической являются финикий- ская, сирийская, пальмирская, критская, греческая геродианова или аттическая (см. табл. 1). Аттическая или геродианова нумерация J), как показывает само её название, возникла в Аттике. Древнейшая запись по этой системе относится к VI в. до н. э. Числовым знаком для единицы здесь, как и в Египте, является вертикальная черта, повторение которой образует знаки чисел до 4. Число 5 обозначается символом р, 10— А, 100— Н, 1000— X , 10 000— М. Как теперь установлено (впервые на это обратил внимание ещё в XVII в. Валлис), символы эти являются первыми буквами названий соответствующих чисел. Действительно, пять по-гречески будет kevte (в аттических обла- стях Г служила для обозначения буквы II, поэтому писалось TENTE), десять — ДЕКА, сто —HEKAT0N, тысяча—XIAI0I и десять тысяч — MTPI0I. Числа 50, 500 и 5000 записывались путём комби- нирования знака для пяти со знаками для десяти, ста и тысячи: р =50, р =500, р =5000. Остальные числа записывались по аддитивному принципу. Так, число 325 записывалось, как НННДДГ . Эга нумерация продержалась в Аттике вплоть до I в. н. э., хотя в других греческих землях она была задолго до того вытеснена более удобной ионийской системой нумерации. Второй схеме образования натуральных чисел соответствует рим- ская система нумерации. Подобного же типа (с применением вычи- тания), как мы видели, была и система йорубов. Конечно, римляне не стояли на той же стадии развития, что и йорубы. Римская *) Геродиан — греческий историк II—III в. п. э., из произведений которого западноевропейские учёные впервые узнали об аттической нумерации.
Таблица 2 Числовые знаки разных народов Сита и ские Цифры Kapuuima Ц Цифры пещерной надписи Назик Цифры ацтеков в Цифры племени РРия 7 Старые / Соммер ческие Научные 3 О о 1 а 1 1 I —* • • 2 — * и II II • • • • 3 • hl III 111 • • • • • • 4 и Illi • • • • • • • • 5 % Kill IX а • • (> у \ T их ? • • в » 7 IT 7 • 9 • • 8 nr НО • а • а • • ♦ 9 J1 HIT 7 а • • • • • • 1 10 t IO 15 t 1= • —w 20 -г 0 t HO 3 е р 30 ~j““ Tl t IIIO 40 к л t IIIIO рр 50 t IIIIIO 933 рр<> 60 t TO 333 ррр 70 -{j t TO 9733 ррр^ 80 TITO рррр 90 -г t TITO PFPFo 100 0 0 IOO XI 200 й U V IIOO ?ll 3^* 400 rq й V IIIIOO 1 500 Fi‘ % V 1111(00 и 1000 f* IOOO у S000 7 TTOOO — 10000 й 7J ЮООО ' 1 СП I из
АЛФАВИТНЫЕ СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 31 нумерация имеет очень древнее происхождение, причём известно, что раньше принцип вычитания применялся ещё шире. Так, 8 обозна- чалось ИХ. Само начертание «цифр» было заимствовано римлянами у более ранних обитателей Италии — этрусков. Знак для числа десять у этрусков был -ф- или Х> причём римляне переняли эту последнюю форму. Пять этруски писали \/ или /\—это была по- ловина знака для десяти. Этрусское 50, писавшееся, как | , обра- тилось сначала в ф, затем в I и, наконец, в Римский знак для ста С произошёл от этрусского знака ф, который обратился в ф, а затем и в С, и т. д. Интересно отметить, что наряду с принципом сложения и вычи- тания римлянами употреблялся своеобразный принцип «деления». Так, знак для пяти есть половина знака для X. Более отчётливо этот принцип выступает в двадцатиричной непозиционной системе ацте- ков. Число 400 там обозначается так: Д , 300— J , 200— | и 100= . Ближе к позиционной системе стоят системы счисления с муль- типликативной формой записи. Таковы старая китайская система, в которой мультипликативный принцип применялся, уже начиная с десятков (табл. 2), индусская система чисел карошти (см. табл. 2), где принцип этот применялся, начиная с сотен, и др. В старокитайской си- стеме 20 или 30 изображались схематически, как 2, 10; 3, 10 и т. п. Сто, тысяча и десять тысяч имели индивидуальные обозначения. Сложные числа обозначались по аналогичной схеме, что и числа, кратные десяти. Число 333 записывалось схематически так: 3, 100, 3, 10, 3. В единообразном обозначении единиц высших и низших разрядов уже можно усмотреть первое приближение к позицион- ности. Подробнее об этом будет сказано в главе о происхождении позиционной системы. Здесь отметим только, что и в нашей устной нумерации играет большую роль мультипликативный принцип (двад- цать = два, десять, триста = три, сто и т. д.). § 3. Алфавитные системы нумерации Наиболее совершенной разновидностью непозиционных систем, не считая систем, основанных на мультипликативном принципе, являются алфавитные системы обозначения чисел. Примерами алфа- витных систем могут служить ионийская система нумерации (Древ- няя Греция), славянская система (кириллица и глаголица), еврей- ская, арабская, а также грузинская и армянская системы нумерации. Системой счисления, приближающейся по типу к алфавитной, является египетская иератическая система (см. табл. 1), существо- вавшая наряду с иероглифической уже в Древнем Египте за 2000 лет
32 ПРОИСХОЖЦЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ до н. э. Она употреблялась в хозяйственных отчётах и других офи- циальных документах, а также в математических папирусах (записи в обоих древнейших математических папирусах: Московском и Райнда сделаны по иератической системе), тогда как иероглифиче- ское письмо применялось, если можно так выразиться, в «парадных случаях» — для надписей на памятниках и обелисках. Иератическое письмо первоначально возникло из иероглифического в результате сокращений и слияний отдельных символов, естественных при вся- кой скорописи. Однако при этом числа от 1 до 9, которые обо- значались при иероглифическом письме простым повторением сим- вола единицы, получили особые индивидуальные обозначения, т. е. впервые появились особые цифры для чисел первого десятка. Такие же индивидуальные символы образовались для обозначения десятков 10—90, сотен 100—900, тысячи, десяти тысяч и 10в. Таким образом, иератическая система счисления принципиально отличалась от иероглифической. На важность этого нового прин- ципа, который можно назвать цифровым, указал ещё в 1911 г. выдающийся русский историк науки В. В. Бобынин *)• Ч. Бойер недавно поставил цифровой принцип (по его терминологии — ciphi- risation) на одну доску с принципом позиционности. «Введение египтянами идеи цифирного обозначения —пишет Бойер, — пред- ставляет собой решающий шаг в развитии нумерации, и в этом отношении их вклад вполне сравним по значительности со вкладом вавилонян, введших позиционный принцип» * 2). Однако, как ни велика роль цифрового принципа, справедливо'указанная В. В. Бобыниным, утверждение Бойера является сильным преувеличением. Позиционная система, как мы увидим, имеет неоспоримые преимущества перед системами типа иератической, даже если число применяемых цифр невелико, как это имело место в Вавилоне. Однако цифровой принцип был значительным шагом вперёд по сравнению с иерогли- фическими нумерациями. Мы будем подробнее говорить о его пре- имуществах в связи с алфавитной системой обозначения чисел. К тому же типу, что и египетская иератическая, относится и син- галезская нумерация. В самом Египте примерно в VI в. до н. э. получило распространение демотическое письмо, являющееся даль- нейшим видоизменением иератического; в Греко-римскую эпоху оно стало в Египте общепринятым. Алфавитная система нумерации впервые, повидимому, была при- менена в Греции. Древнейшая надпись, сделанная по этой системе, относится к середине V в. до н. э. (Галикарнасе в Малой Азии). Во всех алфавитных системах числа от 1 до 9, все десятки и сотни обозначаются индивидуальными символами при помощи последова- *) См. В. В. Бобынин, Отзыв о сочинениях Н. М. Бубнова, СПБ, 1911. 2) Ch. Boyer, Fundamental Steps in the Development of Numeration, Isis, 1914, № 100, t. 35, стр. 158.
АЛФАВИТНЫЕ'СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 33 тельных букв алфавита (табл. 3). В греческой и славянской нуме- рации над буквами, означающими цифры, чтобы отличать числа от обычных слов, ставилась черта. Все числа до 999 записывались на основе принципа сложения из 27 индивидуальных знаков для цифр. Так как в обычном греческом алфавите только 24 буквы, то для числовых обозначений были использованы ещё три старые буквы: (дигамма) для числа 6, Q (коппа) для 90 и Э (сампи) для 900 (см. первый столбец табл. 3). ___ Число 444 по этой системе записывалось так: оро. В римской системе нумерации это число имело бы вид: CDXHV, а в аттиче- ской системе ННННААААН'1. Уже этот пример показывает неоспоримые преимущества алфа- витных систем. То, что алфавитные системы явились нумерацией нового, более высокого типа, доказывается и всем ходом истори- ческого развития. Возникнув в торговых греческих колониях, ионий- ская нумерация быстро стала распространяться в Аттике, вытесняя освящённую традицией геродианову систему, которую поддерживали и власти, долгое время разрешавшие применять в официальных до- кументах только геродианову нумерацию. Здесь мы видим ещё одно подтверждение сталинского положе- ния о развитии через борьбу противоположностей, о неодолимости нового. Несмотря на все рогатки и преграды, несмотря на силу традиции, алфавитная система всё шире распространялась по Аттике. Она окончательно вытеснила геродианову после того, как при Пто- лемее Филадельфе была принята в Александрии. Однако ряд историков математики, в том числе М. Кантор и Г. Ганкель, считали, что алфавитная система нумерации является шагом назад даже по сравнению с аттической. Отсюда они делали вывод, что греки, которым вообще принадлежит столь значительное место в развитии европейской культуры, для усовершенствования систем счисления решительно ничего не сделали. Такое мнение является совершенно неосновательным. Действительно, требования, которым должна удовлетворять удобная система счисления, таковы: 1) краткость и лёгкость записи, 2) удобство вычислений над чис- лами, записанными в этой системе, 3) лёгкость овладения системой, 4) принципиальная возможность записи в этой системе любого сколь угодно большого числа. Мы видели, что первому требованию ионий- ская система удовлетворяет,, причём запись чисел в этой системе гораздо короче, чем в аттической. Чтобы проверить, насколько трудно производить вычисления в этой системе, французский исто- рик математики П. Таннери в 1882 г. овладел ионийской нумера- цией и применил её к выкладкам, необходимым для вычислений в «.Измерении круга» Архимеда. Он убедился при этом, что ионий- ская система имеет практические преимущества, о которых он едва мог подозревать ранее, и что операции в этой системе получаются не намного длиннее наших, если их проводить по современной 3 Эихщнлоиедим, кн. 1.
Таблица 3 Алфавитное обозначение чисел Грече- ское / _ Словинское. Силил- Глпго- Герой- ское й Сирий- ское Трой- ское 6 Грузин- ское 7 Троян- ское 6 лицей 2 лицей 1 a Л 'Ъ К 1 1 5 Г. •> 3 Г-* к И1 □ • 8 Г 3 "У i; V 1 8 ч- 4 ъ Л % т 5 • ,3 ^4 'b 5 E е Л п СП ъ a ъ 6 <• 9 1 о 3 о • % f У т 1 • % 1; S V II ф п АЛ 9 0 0 (Ъ В |<Ь 10 L Т о <Ь 20 К » * 1 к к □ t - МЕа*^ 3 ь 30 X А Л? ь \ 3 ж к 10 Д м D г 9 1” 50 V ii Л 3 J о 6 \г GO 2?.Л1 В £0 '' 70 о 0 •р V £ (Th • so TV LIU 9 L 3 у 9 1 00 Q YJ Г X 3 09 ‘к 100 p Р ь р Л О 200 a с я *1 > L (Г 300 T т WJ • 0j * » : > 400 и V 3> в 2 и 7) 11 500 Ф ф 4F (р рп ? 1 GOO • • Jo ЧП t 3 II 700 т . О с*п • c C * > SOO (0 W пл cs^ «1 900 П «V * г (z^ a 1000 ,a У *5 t Э lb 2000 ,p zK j? g II 3000 !У Л’’ jp c< 1| * 4000 ,5 zA to 5000 Л , & V I1 0000 <• J о о 7000 Л-^ tj ь SOOO л zii X *1» 9000 ,e /0 Ц-ь- 10000 <1 M ® 1 Л- 3? о 20000 /1 - (К) П>
АЛФАВИТНЫЕ СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 35 схеме. К мнению П. Таннери присоединился и Т. Хисс. В упомяну- той выше статье Бойер развивает дальше мысль о том, что лёг- кость вычислений является не столько следствием позиционного принципа записи, сколько следствием схемы вычисления. Это близко к истине по отношению к не слишком большим числам. Нужно, однако, отметить, что современная схема умножения и деления чисел сама основана на позиционности расположения чисел, т. е. в ней используется в другом виде тот же позиционный принцип, что и в нашей нумерации. То, что грекам приходилось запоминать 27 знаков для цифр вместо наших 10, также не может считаться существенным недо- статком системы, так как, во-первых, запоминание это производи- лось раз и навсегда, а, во-вторых, для чисел не вводилось новых знаков; их обозначения запоминались вместе с алфавитом. Против алфавитной системы М. Кантор сделал ещё следующее возражение: при нашей системе записи из того, что 2 -1-3 = 5, сразу следует, что 20 -|- 30 — 50, тогда как при алфавитном способе из того, что р-|~7 = е, не видно, что z-|~a=v. Отсюда, по его мнению, следовало, что грекам нужно было запоминать гораздо больше основных частных случаев умножения и сложения, чем нам. Однако процесс счёта имеет дело не только со знаками, но и со словами ’). Заучивая, например, таблицу умножения, мы запоминаем не то, что символ 2, соединённый знаком умножения с символом 3, даёт символ 6, а заучиваем её в словах «дважды три шесть», которые в случае надобности переводим на знаки. Но словесные обозначения чисел были у греков аналогичны нашим, поэтому грекам было не труднее, чем нам, из того, что дважды три равно шести, заключить, что двадцать на тридцать равно шестистам. Итак, для записи сравнительно небольших чисел и для опери- рования с ними при позиционной схеме вычислений алфавитная си- стема была почти так же удобна, как и позиционная. Но в алфа- витной системе непосредственно нельзя было записывать достаточно большие числа. Для этого пришлось к алфавитной системе приба- вить новые принципы. Попытки записать в этой системе числа больше тысячи привели к обозначениям, которые можно рассматривать как зачатки пози- ционной системы. Так, для обозначения тысячи применялась та же буква, что и для обозначения единицы, но снабжённая чёрточкой слева внизу (см. табл. 3): а=1, ,а=1000, ..., 6 = 9, ,6 = 9000. При помощи букв со штрихами слева, таким образом, греки могли выразить все числа вплоть до 9999. Число 10 000 обознача- ’) Ср. М. Я. Выгодский, Арифметика и алгебра в древнем мире, М.—Л., 1941, стр. 184. 3*
36 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ а лось знаком М; знак М означал 20 000 и т. д. Здесь уже приме- 3 няется мультипчикативный принцип. При этом М можно было за- писать ещё как или М[3. Если коэффициент М записывали позади соответственной буквы, то часто он заменялся просто точкой. На- пример, 43 458 записывалось так: S.,yuv7]. Этот последний способ записи, применявшийся Диофантом, ближе всего к позиционному. Наибольшее число, которое можно было записать при помощи ионийской системы счисления, было 108—1. Хотя, казалось бы, алфавитная нумерация наталкивала на мысль давать значение цифре не только по её написанию, но и по месту, которое она занимает, однако ни одна алфавитная нумерация не дала начала позиционной системе. Лишь два крупнейших математика древности, Архимед (287—212) и Аполлоний (265?—170), довольно близко подошли к мысли о позиционном принципе обозначения. Архимед в «Исчи- слении песка» предложил счёт «октадами». Все числа от 1 до 108—1 объединяются в первую октаду. Затем 108 принимается за новую единицу счёта, и все числа от 108 до 10!6—-1 относятся ко второй октаде и т. д. При этом все числа второй, третьей и после- дующих октад обозначались так же, как и числа первой октады. Аналогичную группировку дал в своём «Быстросчётчике», до нас, к сожалению, не дошедшем, Аполлоний, только вместо октад он пользовался тетрадами (104). Все числа от 1 до 104—1 он объеди- нял в первую тетраду, от 104 до 108—1—во вторую и т. д. *). И всё же ни Архимеду, ни Аполлонию не пришла мысль о еди- нообразном обозначении всех чисел с помощью 10 знаков (напри- мер, 10 первых букв алфавита) по позиционному принципу, ни тем более мысль о введении нуля. Это обстоятельссво, как отмечает и М. Я. Выгодский, объясняется тем, что «ионийская система нумерации в пределах чисел, с кото- рыми греческим математикам приходилось оперировать, вполне удо- влетворяла требованиям практики»2). Поэтому даже тогда, когда греки уже применяли дтя дробей шестидесятиричную систему, заим- ствованную ими у вавилонян, причём пользовались и символом для нуля, они не изменили нумерации целых чисел. Этим же можно объяснить и то, что позиционная система, ставшая известной в Ви- зантии уже задолго до Максима Плануда (XIII в. н. э), не полу- чила там всё же распространения, и общеупотребительной про- должала оставаться алфавитная нумерация. *) Тот же принцип применяется в приводимом Аполлонием способе умно- жения, совершенно аналогичном нашему. Умножение двух чисел, кратных десяти или ста, по этому способу сводилось к умножению их «коренных» чисел, т. е. к умножению чисел, выражающих число десятков или сотен в этих числах. -) М. Выгод с к и й, Арифметика и алгебра в древнем мире, стр. 192.
АЛФАВИТНЫЕ СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 37 Следы алфавитной нумерации сохранились вплоть до настоящего времени. Так, мы часто нумеруем буквами «пункты» докладов, ре- золюций и т. д., подобно тому как некогда были занумерованы буквами двадцать четыре песни «Илиады». Однако алфавитный спо- соб у нас сохранился только для обозначения порядковых чисел. Количественные или кардинальные числа мы никогда не обозначаем буквами, тем более никогда мы не оперируем с числами, записан- ными по алфавитной системе. Старинная русская нумерация также была алфавитной. Славянское алфавитное обозначение чисел возникло в X в. Введение такого обозначения приписывается составителю славянского алфавита Ки- риллу (ум. 869). Система обозначения чисел была построена по образцу ионийской,' бывшей в ходу у византийцев, причём числовые значения получили лишь те буквы, которые соответствовали бук- вам греческого алфавита. Так, например (см. табл. 3), буква «буки» ( Б ) не имела числового значения, значение 2 имела буква «веди»( К), так как она соответствовала букве [3 греческого алфавита, а «буки» не имела своего прообраза среди греческих букв. Буква «фита» ( 0 ) имела числовое значение 9, хотя она стояла в славянском алфавите на предпоследнем месте, ибо соответствующая ей в греческом алфа- вите буква 6 отвечала числу 9. Этих особенностей совершенно не было во втором славянском способе обозначения чисел — глаго- лице ]). Там числовые значения букв идут в строго алфавитном по- рядке. В обеих системах для выделения в тексте чисел над каждой буквой или над всем числом ставился знак •* (титло). В западноевропейских странах в это время и позже применялась исключительно римская нумерация, принадлежащая к более низкому типу систем счисления. Для обозначения тысяч в кириллице употреблялись те же буквы, только слева и внизу от них ставился знак . В славянском языке сложились две системы наименования выс- ших десятичных разрядов: малое число, в котором названия не шли далее 106, и великое число или великое славянское число, куда входили числа до 1048, или 1049, или даже 10В0 («боле сего несть человеческому уму разумевати»). При этом одни и те же названия обозначали в обеих системах различные числа. Так «тьма» обозна- чала 10 000 в первой системе и миллион (т. е. тысячу тысяч) во второй; легион в первой системе обозначал 10 тем или 100 000, а во второй — тьму тем, т. е. миллион миллионов (1012), леодр в первой—10 легионов, т. е. миллион, а во второй — легион ле- гионов (1024). Далее счёт шел на десятки, сотни и т. д. до ста *) Глаголица — одна из славянских азбук, происхождение которой пе вы- яснено точно до сих пор. Возможно, что глаголица предшествовала кирил- лице. О более ранних обозначениях чисел славяпами ничего достоверного не известно.
38 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ тысяч тем легионов (Ю47), а следующей единицей служил леодр ле- одров (1048), называвшийся вороном. Иногда 10в0 именовали колодой. Из одной рукописной грамматики XVII в. известны старинные обо- значения высших разрядов в «великом числе словенском».-Буквы алфа- вита, соответствующие числам 1—9, обведённые кружком О, обозна- чали тьмы, обведённые кружком из точек О —легионы, а круж- ком из лучей — леодры. Символ служил для обозначения ворона; колода обозначалась J). Несомненно, что обе эти системы нумерации, известные нам из рукописей XVII в., возникли значительно ранее. В русских матема- тических рукописях XVII в. применялась уже современная система нумерации, вытеснявшая алфавитную. Вместе с алфавитной системой из обихода исчезли и описанные устные наименования высших де- сятичных разрядов. Подобные двоякие значения названий в зависимости от того, к какой системе принадлежит данное число, существовали долгое время и в Западной Европе. Слово миллион, например, было впер- вые введено в XIV в. в Италии для обозначения «большой тысячи», т. е. (1000)2. Первоначально оно, невидимому, явилось названием конкретной меры-—10 бочонков с золотом. В XV—XVI вв. это слово распространилось и в других европейских странах. Француз- ский учёный конца XV в. Николай Шюке ввёл слова биллион (byllion), триллион (tryllion), квадриллион (quadrillion), ... , нониллион (nonyl- lion) для обозначения степеней миллиона: (1 000 000)2, (1 000 000)3,... — , (1 000 000)9. Примерно с середины XVII в. во Франции числа стали разделять на периоды по три цифры в каждом. При этом биллион вместо старого значения (1 000 000)2 = 1012 получил значение 109. Слова триллион, квадриллион и т. д. стали обозначать соответ- ственно 1012, 101В, ... Однако в Англии, Германии и других северо- европейских странах слова эти до сих пор означают 1012, 1018, 1024, ... § 4. Поместные или позиционные системы счисления Первой известной нам системой счисления, основанной на по- местном или позиционном принципе, является шестидесятиричная система древних вавилонян, возникшая примерно за 2000 лет до н. э. Вавилоняне записывали все числа при помощи двух знаков: простого «клина» Т , означающего единицу, и лежачего «клина» —, означающего 10. Числа до 60 записывались при помощи по- вторения этих двух знаков по тому же аддитивному принципу, по *) См. В. В. Б о б ы и и н, Очерки истории развития физико-математиче- рких знаний в России, вып. I, М,, 1885, стр. 45—47,
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 39 которому строилась, например, египетская система нумерации. Число 32 в этой системе выглядело так: (((П. Направление письма шло слева направо, причём вначале всегда ставились десятки, а затем единицы. Отдельные клинья при напи- сании чисел, содержащих более четырёх десятков или более четы- рёх единиц, соединялись в слитные группы (рис. 2). Число шестьдесят снова изображалось символом Т , являясь единицей высшего разряда. Далее, для чисел от 60 до 3600—1 повторялись те же обозначения, что и для чисел от 1 до 5Э, только каждый символ имел в шестьдесят раз большее значение. Напри- мер, число 82 записывалось так: Т . 22 Однако эта-же самая запись могла означать и 1 , или 82-69 и вообще 82 • 60±ft. Более того, эта вать и числу 602 |- 22 и всякому числу вида 60±fc-j-22 • 60±п и т. п. Таким образом, позиционная запись по шестидесятиричной системе н е имелаабсолютного харак- тера. Каково действительное значе- ние записанного числа, приходилось всякий раз определять по смыслу за- дачи. Такой неабсолютный характер записи обусловливался отсутствием в вавилонской системе цифр знака для нуля. Отсутствие нуля на первых порах развития шестидесятиричной систе- мы, когда приходилось оперировать со сравнительно небольшими числа- ми, не было столь ощутительным, как же запись могла соответство- 20 30 40 во Рис. 2. это может показаться. Так, легко подсчитать, что для записи по вави- лонской системе чисел от 1 до 3600 нуль нужен только 59 раз (а для записи чисел от 1 до 59 он вообще не нужен), тогда как при записи этих же чисел в нашей десятичной позиционной системе он встречается 917 раз. При оперировании с числами, большими 3600, потребность в нуле возрастает. Поэтому не удивительно, что в более поздних текстах, в которых вавилоняне в связи с потребностями практики, в первую очередь астрономии, оперировали уже с гораздо большими числами, появился междуразрядовый знак %<•, означающий пропуск шестидесятиричного разряда ’). В конце числа, однако, этот знак никогда не ставился, и абсолютное значение написанного числа определялось только из контекста. ’) Первое появление междуразрядового знака относится к персидской эпохе (VI—V вв. до и. э.).
40 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Итак, система счисления вавилонян отличалась от современной десятичной позиционной системы (если отвлечься от различия в осно- ваниях 60 и 10) следующими двумя чертами: 1. Позиционный принцип в ней не был проведён вполне после- довательно. 2. Благодаря отсутствию символа для нуля позиционная запись у вавилонян не имела абсолютного характера. Шестидесятиричная система вавилонян сыграла большую роль в математике и в астрономии. Следы этой системы сохранились до наших дней. Так, мы до сих пор делим час на 60 минут, ми- нуту— на 60 секунд и т. д. Точно так же окружность мы, следуя вавилонянам, делим на 360 частей-градусов. Вопрос о происхождении этой первой позиционной системы много лет занимает внимание учёных. Существует несколько конкури- рующих гипотез, претендующих на объяснение появления этой системы. М. Кантор первоначально предположил, что сумерийцы (первич- ное население долины Ефрата) считали год равным 360 суткам и что шестидесятиричная система имеет астрономическое происхожде- ние. Однако в дошедших до нас сочинениях древнего Вавилона встречается лишь солнечный год в 365 дней и лунный год в 354 или 355 дней. Это обстоятельство, а также другие замечания кри- тиков заставили Кантора отказаться от его гипотезы. По гипотезе Г. Кевича в долине Ефрата встретились два народа, из которых у одного была десятичная система счисления, а у дру- гого основанием системы было число 6 (возникновение такого осно- вания Кевич объясняет особым счётом на пальцах, в котором сжа- тая в кулак рука означала 6). Благодаря слиянию обеих систем возникло «компромиссное» основание, равное 60. Согласно Леф- флеру «благодаря наклонностям сумерийских жрепов к умозрению, их очень рано стали занимать игры с числами; они заме гили, что из всех чисел ниже 100 число 60 обладает наибольшим числом малых множителей, как 2, 3, 4, 5, 6. Это открытие побудило их создать для научных целей систему с основным числом 60» *). Гипотезы эти совершенно неисторичны; число их можно произ- вольно увеличить2). Последняя же гипотеза является даже анти- историчной, так как системы счисления никогда и нигде не созда- вались ни учёными, ни тем более жрецами «для научных целей», ни даже отдельными классами, а всегда были результатом длитель- ного исторического развития, результатом творчества всего народа или нескольких народов. ’) Е. Леффлер, Цифры и цифровые системы культурных пародов в древности и в повое время, Одесса, 1913, стр. 33. *) См. об этом примечания И. Ю. Тимченко в книге Ф. К э д ж о р и, История элементарной математики, Одесса. 1918, стр. 313—317.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 41 Более правдоподобна гипотеза о возникновении как основания 60, так и позиционной системы, предложенная в 1927 г. О. Ней- гебауером *). В основу её положены следующие факты: 1) В эпоху, относящуюся к четвёртому тысячелетию до н. э., система чисел у сумеров была десятичной пепозиционной. Имелись индивидуальные обозначения для единицы, 10 и 100, причём знак для 100 («щей») означал на сумерийском языке также неопреде- лённое множество. Таким образом, в это время система счисления у сумеров была примерно такой же, как у египтян, только ещё крайне неразвитой. Кроме того, существовала небольшая группа , „ 1 1 2 индивидуальных знаков для дробей и -у. Z о <5 2) В эпоху расцвета сумерийской культуры, предшествовавшую появлению собственно математических текстов, появляется новый разряд: 60. Он обозначается тем же знаком, что и единица, но только большего размера. В этот период система счисления является шестидесятиричной непозиционной, хотя в ней сохраняется и само- стоятельный знак для 100. Система эта сходна по типу с египет- ской, только в Египте разрядами, имеющими индивидуальные знаки, были 1, 10 и 100, а в Вавилонии — 1, 10 и 60. Разумеется, ни- какого междуразрядного знака здесь ещё нет, да он и не нужен, так как разряды имеют абсолютные обозначения. 3) В дальнейшем 60 обозначается тем же знаком, что и единица. Единообразный принцип обозначения распространяется и на дроби, однако ещё долгое время сохраняются индивидуальные обозначения , „ 1 1 2 для дробей -д и у. Для объяснения этих фактов Нейгебауер рассматривает систему вавилонских мер. Особенно его внимание привлекают меры веса, так как эта система являлась здесь, как и почти всюду, основой денежной системы. Нейгебауер приходит к заключению, что первоначально суще- ствовали две денежные системы у двух народов: сумеров и аккадян, семитского племени, покорившего сумеров. Основной единицей одной из систем был шекель, другой — мина. Каждая из этих 112, денежных единиц давала начало рядам 1, ..., 10. о Z о Обе системы были десятичными. При этом первоначально соот- ношение между шекелем и миной не было установлено. Оба ряда сосуществовали, служа один для мелких, другой для крупных расчётов. Развитие централизованного Вавилонского государства с единой системой хозяйства привело к сравнительно ранней нор- мировке денежно-весовой системы. Естественно было установить соответствие так, чтобы дробные части большей единицы, мины *) Ср. О. Нейгебауер, Лекции по истории античных математических паук, т, 1, перев. С. Я, Лурье, М.—Л., 1937, стр. 120—125.
42 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Iт. е. и -s- её части), выражались в меньшей единице (в ше- \ Z о о / к'елях) в целых числах. По Нейгебауеру, это было осуществлено путём приравнивания дробных частей мины десятикратным шекеля. Таким образом, соотношение между шекелем и миной было уста- новлено 1 :60 (это соотношение примерно соответствовало соотно- шению их первоначальных весов). Сначала соотношение это было абсолютным. Малые и большие единицы отличались друг от друга в написании либо размерами выражавших их знаков, либо сокращёнными названиями, ставивши- мися после соответствующих единиц. Со временем система мер веса распространяется на другие области величин. При этом уже не имеет смысла ставить после единиц название той или иной меры веса. Первоначально позицион- ное обозначение «есть не что иное, как систематический отказ от обозначения единиц меры при письме». Процесс этот происходил бессознательно, иначе нельзя объяснить, почему не был введён знак обозначения недостающего разряда. Самый факт отсутствия в древних текстах такого знака показывает, что «несмотря на то, что числовые знаки были формально одни и те же, при каждом отдельном раз- ряде подразумевалось конкретное обозначение соответствующей меры»J). Описанный процесс можно сравнить с тем, который наблюдается и в нашем языке при именовании денег. Так, вместо того, чтобы сказать: 2 рубля 20 копеек, мы говорим: «два, двадцать». Название соответствующих разрядов здесь подразумевается2). Знак отделения на местах пропущенных разрядов появился позже, когда эта система была уже сознательно переработана для нужд математики. Эта последняя стадия, нашедшая своё выражение только в математи- ческих текстах, и является завершением создания неабсолютной позиционной шестидесятиричной системы вавилонян. Таким образом, согласно этой гипотезе основные этапы про- цесса образования позиционной системы в Вавилоне были таковы: 1) установление количественного соотношения между двумя самостоятельно существовавшими системами мер3) и 2) опускание названий разрядовых единиц при письме. Эти этапы возникновения позиционных систем автор излагаемой гипотезы считает совершенно общими. «Позиционная шестидесятирич- ная система___оказалась вполне естественным конечным резуль- татом долгого развития, ничем принципиально не отличающегося от аналогичных процессов в других культурах». Благоприятным обстоятельством, приведшим к тому, что такая система была впервые *) О. Нейгебауер, Лекции, стр. 124. s) М. Я. Выгодский, Арифметика и алгебра в древнем мире, стр. 69. 8) То, что эти системы мер были первоначально в ходу у двух разных пародов (сумеров и аккадян), не существенно.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 43 создана именно в Вавилоне, было то, что «нормировка денежно- весовой системы здесь падает на столь раннюю стадию развития, когда, с одной стороны, существовавшая и в Вавилоне первобытно- десятичная структура ещё лишь частично перешла за сто, а с дру- гой,— натуральные дроби ещё ограничивались маленькой группой 112 , -о , -о »*), причём ещё не было выработано регулярных про- Л о о цедур счёта. В изложенной гипотезе интересно стремление её автора связать процесс возникновения шестидесятиричной позиционной системы с развитием общественной экономики — систем мёр, денежного хозяйства и т. п. Однако считать эту гипотезу твёрдо установлен- ной теорией нельзя. Так, поддерживающий её в целом М. Я. Вы- годский указывает, что в ней «есть гипотетические элементы: обстоятельства установления денежно-весовых эквивалентов не засвидетельствованы никакими положительными данными»2). Ряд возражений против этой гипотезы выдвинул в устных выступлениях И. Н. Веселовский3) (например, наличие в большом числе деловых текстов эпохи после Хаммураби непозиционных записей, плохо согласующееся с идеей о происхождении позиционной системы из денежно-весовой системы мер). Востоковед Ф. Тюро-Данжен также полагает, что, вопреки мнению Нейгебауера, появлению шестидеся- тиричной системы в метрологии должно было предшествовать её на- личие в нумерации. Таким образом, общепринятого объяснения появления вавилонской нумерации мы ещё не имеем. Появление позиционной системы обозначения чисел было одной из основных вех в истории культуры. Оно не могло быть случайным. Подтверждением этому является разновременное и самостоятельное возникновение позиционной системы по крайней мере у трёх раз- личных народов: 1) более чем за две тысячи лет до н. э. в долине рек Тигр и Ефрат у вавилонян, 2) в начале н. э. у племени майя, бывших обитателей полуострова Юкатан в Центральной Америке, и 3) в VIII—IX вв. н. э. в Индии. Расцвет культуры индейцев майя относится к VI — XIII вв. н. э. У майя были две системы записи чисел: 1) система, подобная еги- петской, применявшаяся в повседневной жизни, и 2) позиционная абсолютная система, употреблявшаяся главным образом для кален- *) О. Нейгебауер, Лекции, стр. 124. s) М. Выгодский, Арифметика и алгебра в древнем мире, стр. 69—70. ’) Основание 60 И. Н. Веселовский связывает со счётом по пальцам и суставам рук, позиционный принцип — с употреблением абака, о чём сказано ниже. И. Тимченко также допускал, что «шестидесятиричной счисление могло произойти от продолжения такого счёта па правой руке, а затем на другой стороне суставов правой и левой руки в обратном порядке», но считал возможным, что оно возникло из смешения 4-ричпой и 15-ричной систем (встречающихся, например, в Беигалии). См. его примечания к книге ф. К э д ж о р и, История элементарной математики, Одесса, 1917, стр. 316—317.
44 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСТЕНИЯ дарных расчётов, характерной особенностью которой было наличие нуля, символом для которого служило изображение полузакрытого глаза. Основанием системы служило число 20, хотя имелись и силь- ные следы пятиричной системы. Первые 19 чисел получались путём комбинации знаков точки (-) для единицы и черты (—) для пяти и записывались, например, так: 20 является единицей нового разряда, которая называется уинальс, или 20 дней, и обозначается знаком для единицы, надписанным над знаком для нуля. Однако единицу следующего разряда образуют не 20, а 18 уинальсов, называемые туном (360 дней). Это—един- ственное отступление от двадцатиричного принципа в системе майя. Оно объясняется тем, что год майя делили на 18 месяцев, по 20 дней в каждом, плюс ещё пять дней. 20 тунов образуют катун или 7200 дней, 20 катунов образуют единицу пятого разряда — цикл и, наконец, 20 циклов составляют большой цикл, равный 2 880 000 дням. Таким образом, единицами различных разрядов в системе майя были: 1, 20, 20- 18, 202 • 18, 203 • 18, ... * В своих календарных и хронологических расчётах майя опери- ровали очень большими числами. Наибольшее число, найденное в их документах, есть 12 489 781. Запись его в системе майя схемати- чески будет выглядеть так: 12 489 781 12489781 =4(18 • 204)6 (18 • 203)4 4-14(18 • 202)4 13(18 • 20)4 15 • 20+ Е Родоначальницей нашей современной нумерации была, невидимому, индусская система. К сожалению, нам очень мало известно о том, как и когда в Индии появилось обозначение чисел по позиционной системе. Работа исследователей очень трудна из-за большого коли- чества подложных надписей. Так, из 17 древних цитат, содержащих позиционные записи, только две оказались неподдельными.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 45 До возникновения позиционной системы в некоторых частях Индии пользовались цифрами карошти (kharosthi), наиболее ранние известные образцы которых найдены были в районе восточного Афганистана и Северного Пенджаба и относятся, вероятно, к III — I вв. до н. э. Это была десятичная непозиционная система с инди- видуальными символами для 1, 4, 10, 20 и 100 (см. табл. 2). Осо- бая роль чисел 4 и 20 в системе показывает, что они являлись узловыми. Числа 200, 300 и т. д. обозначались при помощи цифры 100 и приписывания справа соответственно значка для двух или трёх. Таким образом, начиная со 100, в системе действовал муль- типликативный принцип. Видеть в цифрах карошти прообразы наших цифр не приходится. Наряду с числами карошти с древнейших времён в Индии существовала другая система обозначения, знаки которой сходны с буквами так называемого алфавита брами (см. цифры из надписи в пещере Назик, табл. 2). В этой системе имелись специальные знаки для 9 первых чисел, для десятков 10—90 и для чисел 100 и 1000 *). Для обозначения 200, 300, 2000 или 3000 писались знаки для 100 или 1000 и приписывались к ним две или три чёрточки. Аналогичным образом числа от 400 до 900 и от 4000 до 70 000 (числа больше этого в известных нам записях не встречаются) за- писывались в виде сочетания знаков для 100 и 1000 со знаками для 4—9. Схематически запись числа 3451 по этой системе можно выразить гак: 3 • «1000» 4 • «100» 5 • «10» 1. Такая система цифр существовала вплоть до конца XIX в. на Цейлоне, куда индусская культура была занесена вместе с буд- дизмом в 111 в. н. э. и где она сохранилась почти без изме- нения. Происхождение цифр брами в точности не известно, но есть основания думать, что они арамейского происхождения* 2). Быть может, цифры брами явились первичными формами, из которых развились позднее наши цифры. В Индии существовала и третья система обозначения чисел, словесная, о которой мы скажем далее. Запись в позиционной десятичной системе с употреблением знака нуля появилась в Индии, вероятно, около 500 г. н. э.; воз- можно, что знак нуля известен был Ариабхатге (476—550)3). Однако первая точно датированная надпись, в которой встречается знак *) Предполагают, что сначала эти цифры, называемые сингалезскими, были начальными буквами соответствующих имён числительных. 2) Арамеи — аравийская семитическая народность, ^во второй половине 2-го тысячелетия до н. э. населявшая территории Сирии и части Месопо- тамии и создавшая там ряд государств. 3) Знак нуля в виде точки встречается в так называемой Бахшалийской рукописи, точное время составления которой не известно. Различные иссле- дователи датируют её по-разному—от П в. н. э. до VIII и IX вв.
46 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ нуля, относится к 876 г.: в ней число 270 записано было в виде V/o1). Как же перешли индусы к абсолютной позиционной системе? Н. М. Бубнов связывал этот переход с употреблением в Индии и других странах Древнего Востока счётной доски, абака. Доска эта имела продольные желобки, каждый из которых соответствовал определённому десятичному разряду. В эти желобки помещались жетоны, которые были первоначально немеченными и указывали, таким образом, число единиц соответствующего разряда. Согласно Н. Бубнову, наши числительные и цифры в конечном итоге урало-алтайского происхождения. От урало-алтайских народов они распространились далее, в частности в Халдею (юго-восточная часть Месопотамии). Отсюда в III в. до н. э. цифры эти, с одной стороны, перешли в Индию, где и употреблялись без нуля и без поместного значения, а с другой стороны — в Грецию, где попали на ранее немеченные жетоны греческого абака. Таким образом, для счёта на абаке стали употреблять меченные жетоны, жетоны со знаками цифр от 1 до 9. Здесь же к ним был присоединён десятый пустой жетон (сипос), означавший отсутствие единиц определён- ного разряда. Из Греции абак попадает на Восток и на Запад. В Индии, где числовые знаки греческого абака были уже известны, но без значения по положению, они приобретают таковое, переходя с жетонов на бумагу в том же порядке, в каком они распола- гались на абаке. Нужно было только уметь обозначать пропуск того или иного десятичного разряда. Для этого и начали изобра- жать немеченный жетон, представляющий собой кружок с дыркой посредине, так сказать, материализованную модель нуля. Его сначала обозначали жирной точкой, а затем стали писать кру- жок О- Гипотеза эта не лишена остроумия, однако она не подтвер- ждается историческими фактами. Наоборот, против неё можно выставить следующие существенные возражения: 1) На всех дошедших до нас античных рисунках греческий абак изображается с немеченными жетонами. Поэтому нет основания полагать, что у древних греков были меченные жетоны. Наоборот, примеры русских счётов, китайского сван-пана, римского абака показывают, что меченные жетоны совершенно не нужны ни для фиксирования числа на такой счётной доске, ни для производства операций. Известно лишь, что абак с меченными жетонами суще- ствовал и получил широкое распространение в средние века. 2) Очень мало вероятно, чтобы на протяжении длинного периода странствования по Индии и Греции арамейские цифры сохранились без изменения. *) См. D. Е. Smith and L. С. К а г р i и s к у, The hindu-arabical numerals, N.-Y., 1911, стр. 43—44, 52.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 47 3) Абак с древнейших времён был в употреблении у египтян, греков, китайцев, римлян, а между тем ни один из этих народов не пришёл к позиционной системе *). Более правдоподобно предположить, что и абак и позиционная система возникли из одного и того же источника — группового счёта и благодаря одним и тем же историческим процессам. Возникновение позиционной системы можно представить следую- щим образом. Принцип позиционности является по существу соедине- нием двух принципов: 1) мультипликативности и 2) опускания при письме разрядовых единиц. Завершается позиционная система введе- нием нуля. Для объяснения происхождения позиционного принципа прежде всего следует объяснить появление мультипликативной формы записи, являющейся, кстати, одновременно основой изображения числа на абаке. Разберём сначала, чем принципиально отличается мультипликатив- ная форма записи от аддитивной. С чисто алгебраической точки зрения запись, например, числа 30 в виде Шх или X111 является выражением закона дистрибутивности. Действительно: XXX = X-|-X-|-X = (I-]-l + l)X=IIIx или X"1. С другой стороны, запись вроде Шх выражает тот факт, что при счёте десятки принимаются за новые единицы. То же имеет место и при счёте сотен, тысяч и т. д. Итак, мультипликативная форма записи наиболее отчётливо отражает тот факт, что при счёте опре- делённое множество единиц первого разряда принимается за еди- ницу следующего разряда, определённое множество единиц второго разряда принимается в свою очередь за единицу третьего разряда и т. д. Это достигается тем, что для выражения известного коли- чества единиц различных разрядов применяются одни и те же чис- ловые символы, после которых отмечается, к какому разряду при- надлежат сосчитанные единицы. Этой же записью подчёркивается, что объектами счёта могут быть элементы любой природы (вещи, определённые множества вещей, десятки их, сотни и т. д.), а это в свою очередь выражает важнейшее свойство отвлечённого числа быть общей формой, свойственной самому различному конкретному бытию. Но как раз такой способ счёта, как мы отмечали, имеет место при счёте числами-совокупностями. Так, африканские негры, веду- щие счёт на камешках или орехах, складывают их в кучки по 5 предметов в каждой. Пять таких кучек они объединяют в нову^ кучу и т. д. Очевидно, здесь сначала ведётся счёт камешков, затем *) Ср. примечания И. Тимченко к цит. книге Кэджори, стр. 318—320.— Следует отметить, впрочем, что И. Ю. Тимченко полагал, что «идея поме- стного значения знаков, весьма вероятно, родилась при употреблении абака, даже и не снабжённого меченными жетонами» (там же).
48 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ кучек, потом куч и т. д. При таком способе счёта подчёркивается то обстоятельство, что с кучами нужно поступать так же, как и с камешками. Точно так же ведёт счёт и племя Центральной Африки — йорубы с тою лишь разницей, что объектами счёта у них являются раковины-каури, которые складываются в кучи по 20 пред- метов в каждой. Интересно, что само слово считать означает у них буквально «сметать в кучу», «сгребать». Точно так же у древних греков, различавших арифметику как науку о числе от логистики — искусства счёта, слово Хоуос; имело своим корнем слово Хеу, что означает собирать. Иллюстрацией дальнейшего развития счёта, приводящего к муль- типликативной системе, может служить приводимый у И. Н. Миклухи- Маклая пример счёта у туземцев Новой Гвинеи. Чтобы сосчитать количество бумажек, обозначавших число дней до возвращения корвета «Витязь», папуасы поступали следующим 'образец: «пер- вый, раскладывая кусочки бумаги на колене, при каждом обрезке повторял „каре, каре“ (один); другой повторял слово „каре“ и заги- бал при этом палец, прежде на одной, затем на другой руке. Насчитав до десяти и согнув пальцы обеих рук, он опустил оба кулака на колени, проговорив „две руки“ причём третий папуас загнул один палец руки. Со вторым десятком было сделано то же, причём третий папуас загнул второй палец; то же самое было сде- лано для третьего десятка» *). Подобным же образом происходит счёт стад у южно-африкан- ских племён (пример этот приводится Цейтеном). Для такого счёта нужны три человека: первый поднимает один за другим десять пальцев своих рук при прохождении каждой головы стада и постоянно повторяет тот же счёт до десяти. Второй считает таким же образом получаемые при этом десятки, третий — десятки, полученные вто- рым, т. е. сотни. Подобный способ счёта имел место и в других странах. Пример этот проливает свет на происхождение и абака и позиционной системы. В самом деле, если заменить пальцы пер- вого, второго и третьего считающих камешками, помещёнными в различные желобки, или бусами, нанизанными на три проволоки, то получится простейший абак, причём как раз в том виде, в каком он возник. С другой стороны, если обозначить пальцы считающих символами I, X, С, то при перенесении некоторого числа с пальцев на бумагу мы получим мультипликативную форму записи. Число 323 запишется при этом по схеме ЗС2ХЗ. Так как стадия счёта числами-совокупностями является совер- шенно общей, то она, конечно, имела место и в Индии. С древней- ших времён, как мы видели, в Индии существовали мультипликатив- ные числовые системы. Действительно, и система карошти и система *) Н. Н. Миклухо-Маклай, Путешествия, т. 1, стр. 58, Издатель- ство АН СССР, 1940 г.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 49 брами были построены по этому принципу. Таким образом, боль- шие числа записывались в Индии по той же схеме, что и в Вави- лонии, до того момента, как там стали опускать названия разрядов. Следует иметь в виду также высокий интерес (и не только среди учёных) в Индии к проблеме записи любого числа. Так, в Лилаватистара, знаменитом произведении буддийской литературы, описывается состязание между женихами прекрасной Гопы (госпожи земли). Предметом состязания были письменность, арифметика, борьба и искусство метания стрел. Почти половина описания посвя- щена испытаниям по арифметике. Состязающиеся должны были, например, найти средство для выражения чисел, больших ста коти (1 коти =10’'). Победитель, Сарватасидда, придумал шкалу чисел, идущих в геометрической прогрессии со знаменателем 100, последним членом которой было число 107 + 9 - 46, содержащее 421 нуль. После этого он вычислил число «первичных атомов», заключённых в единице длины, для чего также составил таблицу обозначе- ний чисел. В Индии имелось и ещё одно благоприятное обстоятельство для возникновения позиционной системы. Мы упоминали уже о третьей, словесной системе обозначения^ чисел, находившей приме- нение в трудах по астрономии и математике. Система эта возни- кла не позднее VI в. н. э. Единица в ней обозначалась каким-либо из слов «луна», «земля», «брама» и т. д., являющихся названиями предметов, встречающихся в единственном числе, два — каким-либо из слов «близнецы», «глаза», «руки», пять — словом «чувства» или «стрелы» (пять стрел Камадевы, бога любви индусской мифологии) и т. п. Обозначение чисел в этой системе строилось по позици- онному принципу. Например, число 867 писалось: «girl — raja — vasu», т. е. горы (7) — запахи (6) — боги (8), при этом запись следо- вала от единиц низшего разряда к единицам высшего. Кроме того, в санскритском языке (игравшем у индусов роль средневековой латыни) имелись специальные названия всех разрядов вплоть до 1016. Например, число 86 789325 178 читалось по-санскритски так: 8 kharva, 6 padma, 7 vyrbuda, 8 koti, 9 prayuta, 3 laksha, 2 ayuta, 5 sahasta, 1 gata, 7 daQan, 8. Такой способ обозначения подчёркивал равно- правность разрядов. Нужно было только выработать систему записи, которая соответствовала бы уже существующему устному наименованию чисел. Такая система явилась дальнейшим развитием способа записи чисел по мультипликативному принципу. Процесс опускания названий разрядовых единиц при письме мог итти в Индии так же, как и в Вавилоне. Для завершения позицион- ной системы нехватало последнего шага — введения нуля. Но при небольшом основании, каким являлось число десять, и при опери- ровании со сравнительно большими числами, особенно после того, как названия разрядовых единиц перестали отмечать, такое введе- ние стало необходимым. При этом совершенно не существенно, был 4 Энциклопедия, ни. 1.
50 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ ли первоначально символ нуля изображением пустого жетона абака или видоизменением простой точки, которую могли ставить на место пропущенного разряда. Так или иначе, но введение нуля было совершенно неизбежным этапом закономерного процесса развития, приведшего к созданию современной позиционной системы. § 5. Распространение позиционного принципа записи чисел в Западной Европе и в России Нам остаётся проследить, как индусская позиционная система попала в Европу и как и когда она стала общепринятой у нас в России. Принцип поместного значения распространился из Индии в другие страны. Некоторые народы переняли у индусов только этот прин- цип, сохранив своё старое начертание цифр (Китай), другие заимст- вовали у индусов и их цифры (Тибет, Монголия, народы Ближнего и Среднего Востока). Наиболее ранние рукописи на арабском языке, содержащие позиционную запись чисел, относятся к 874 и 878 гг. В самой Индии, в разных её областях написание цифр было очень различным. Различны были и цифры, распространённые в странах Восточного халифата и в мавританских государствах, расположенных на территории современной Испании. Восточно-арабские цифры впоследствии распространились по всему мусульманскому востоку, где употребляются и до сих пор в несколько видоизменённой форме. А цифры, бывшие в ходу в мавританских государствах, так назы- ваемые цифры «губар» (табл. 4, 1-я строка), стали прямыми родо- начальниками наших цифр. Таблица 4 1 2 3 4667890 if? я ЧЧ G 7 2 9 ° нате. I ?ч 6 7д г о 75 А 6- л 9 £ Ок1г9уг;у *23 Я Ч 6 Л И 0 0к.1303г.Д X ок1ззог. Ъ Л G~A 8 9 О DklWZi / 2. } Л -8/0 При этом, однако, неясным остаётся вопрос, откуда произошли цифры «губар»? Если они индусского происхождения, то они могли
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЗИЦИОННОГО ПРИНЦИПА 51 дойти до Испании только через страны Передней Азии. Как могла некоторая разновидность индусских цифр попасть непосредственно в мавританские государства, «перепрыгнув» страны Передней Азии? Теория Вёпке, считавшаяся одно время общепринятой, объясняет эти факты следующим образом. Ещё во II в. до н. э. благодаря установившимся торговым сно- шениям между Индией и Александрией индусские цифры (без нуля и поместного принципа) проникли в Александрию, а оттуда уже в Рим, в западную часть Африки и в Испанию. Подтверждением этой части своей теории Вёпке считал тот факт, что начертание цифр, сильно напоминающих цифры «губар», имеется в «Геометрии» римского учёного Ьоэция (480?—524). Боэций в этой книге говорит об абаке, устройство которого он приписывает пифагорейцам. Для счёта на этом абаке употребляются не камешки, а жетоны или апексы с начертанными на них цифрами. Сами эти цифры получили впоследствии название апексов. Они-то и походили по форме на цифры «губар». Позднее в Индии появились принцип поместного значения и знак нуля, которые 'и были заимствованы народами Среднего и Ближнего Востока вместе с новым начертанием цифр. В мавританских государствах употребляли для записи чисел те цифры, которые уже давно существовали в Испании, а знак нуля и помест- ный принцип обозначения были заимствованы маврами у своих восточ- ных единоверцев. К народам Европы начертание цифр и поместный способ обозна- чения перешли из Испании. Цифры эти назывались по-арабски «губар», т. е. пыль, песок. По мнению автора гипотезы, такое на- звание служило напоминанием об индусском происхождении этих цифр (индусы записывали цифры на пыли или песке). С другой стороны, в самой Индии начертание цифр подверглось дальней- шему изменению, чем и объясняется отличие цифр «губар» от со- временных индусских цифр «девангари». Слабыми местами теории Вёпке является то, что 1) наличие индусских цифр в Александрии во II в. до н. э. и даже много позд- нее не подтверждается никакими историческими фактами и 2) «Гео- метрия» Боэция, на которую ссылается автор, как теперь установлено, является скорее всего неподлинной и относится примерно к XI в. н. э. Эту гипотезу Вёпке раскритиковал Н. М. Бубнов в своей книге «Арифметическая самостоятельность европейской культуры» (Киев, 1908). Однако собственная гипотеза Бубнова является не лучше обоснованной, чем гипотеза Вёпке. Известный русский историк математики В. В. Бобынин подверг решительной критике гипотезу Н. М. Бубнова в «Отзыве о сочинениях Н. М. Бубнова и т. д.» (С.-Петербург, 1911). В. В. Бобынин писал по поводу теории Буб- нова: «История наших цифр представляет не более, как ряд пред- положений, перемежающихся с произвольными допущениями, произ- 4*
52 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ водящими иногда, вследствие предшествующего употребления метода внушения, впечатление как бы чего-то доказанного». В настоящее время под руководством С. П. Толстова ведутся раскопки древнего Хорезма -— крупнейшего культурного государства древности, находившегося на территории нашего Советского Союза. Можно надеяться, что раскопки эти прольют дополнительный свет на происхождение наших цифр. Таким образом, мы до сих пор не имеем исторически обоснован- ной гипотезы, которая достаточно удовлетворительно объясняла бы происхождение наших цифр. Однако бесспорно, что народы Европы заимствовали свою систему счисления у мусульманских государств, находившихся на территории современной Испании. В X в. культура мавританских государств начинает оказывать всё большее влияние на Европу. В частности, в Европу начинают проникать цифры губар, тогда как до того вре- мени употреблялись по преимуществу римские цифры. Искусство письма было очень мало распространено в Европе того времени, кроме того, письменный счёт при помощи римских цифр крайне неудобен (пусть читатель для примера попробует перемножить два четырёхзначных числа, записанных римскими цифрами), поэтому для вычислений пользовались счётной доской — абаком. Первое введение абака в Европе обычно связывается с именем Герберта (впоследствии папа Сильвестр II), наиболее выдающегося европейского математика X века (ум. 1003). Герберт написал два сочинения: «Правила вычисления с помощью абака» и «Книжка о делении чисел», в которых он излагал современные ему методы вычислений. Сохранились сведения о том, что по его заказу был изготовлен абак в виде кожаной счётной доски, имеющей 27 верти- кальных столбцов, и к нему роговые марки с выбитыми на них девятью первыми числовыми знаками (апексами). По другим сведе- ниям столбцов было тридцать, причём из них три предназначались для дробей, а остальные 27 разделялись на группы по три столбца в каждой. Столбцы были помечены буквами: М (monas) или S (sin- gularis), D (decern, 10), C (centum, 100); далее ставились те же буквы, но с чертой наверху, причём каждая имела уже в тысячу раз большее значение. Например, С было пометкой столбца для 100000. Последователи Герберта получили название абацистов. В течение ближайших веков абак значительно видоизменился: нуме- рованные жетоны были заменены ненумерованными, вертикальные желобки — горизонтальными. Такого рода абак был распространён в Германии, Франции и Англии. Хотя первая запись арабо-индусскими цифрами, но без употреб- ления нуля встречается в рукописях испанского монастыря Аль- бельдо ещё в 976 г. (так называемый codex vigilianus), а в рукописи X в. из Сан-Гала (университетская библиотека в Цюрихе) имеется уже знак нуля, однако арифметические приёмы народов Среднего
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЗИЦИОННОГО ПРИНЦИПА 53 и Ближнего Востока начинают укрепляться в Европе, только начи- ная с XII столетия. В этом отношении имел колоссальное значение перевод арифметического труда замечательного хорезмского учёного Магомета сына Мусы-ал-Хваризми (т. е. из Хорезма; ум. около 840), в котором был изложен позиционный способ обозначения чисел *). Сам этот способ получил название алгорифма (искажённое прозвище ал-Хва- ризми). Большую роль сыграли также компилятивная «Книга об алго- рифме»(ЫЬег alghoarismi) еврейского учёного XII в. Иоанна Севиль- ского, популярные сочинения по арифметике Александра де Вилла Деи и Джона Галифакса или Сакробоско, живших в середине XIII в. Образовалась целая школа арифметиков, придерживавшихся новых способов обозначения чисел и оперирования ими; она получила название школы алгорифмиков. Алгорифмики не употребляли абака при вычи- слениях. Они учили наряду с производством первых четырёх дейст- вий арифметики ещё и извлечению квадратного корня, а также применяли шестидесятиричные дроби, в то время как абацисты поль- зовались римскими двенадцатиричными дробями. Новая нумерация не была воспринята сразу.- Наоборот, она встретила ожесточённое сопротивление и со стороны официальной схоластической науки того времени и со стороны отдельных пра- вительств. Так, в 1299 г. во Флоренции купцам было запрещено пользоваться индусскими цифрами в бухгалтерии и приказано поль- зоваться либо римскими цифрами, либо писать числа полностью словами. В официальных бумагах вплоть до XVIII в. разрешалось употреблять только римские цифры. Достоинства позиционной системы, ясные для её пропагандистов, обнаруживались для широких кругов не сразу. Счёт на абаке долгое время сохранял в глазах многих преимущество. Здесь имели значе- ние, кроме приверженности к рутине, дороговизна бумаги, произ- водство которой было введено в Европе лишь в XII в., недостаток письменных принадлежностей (карандаши появились лишь в XVI в.), весьма постепенное совершенствование самих приёмов действия в новой системе счёта, особенно умножения и деления, и, наконец, чрезвычайное отличие в форме записи одних и тех же цифр у раз- личных писателей 2) вплоть до изобретения в XV в. книгопечатания. *) Латинский перевод этого сочинения ал-Хваризми, сделанный в сере- дине XII в., опубликован Бонкомпаньи: Trattati d’Aritmetica, Roma, 1857. s) Вот как, например, варьировали в разных рукописях цифры для единицы: ft-. А. Д-. и для двойки:
54 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Однако ещё в XIII в. новая система начала распространяться среди итальянских купцов. Преимущества её, связанные с последо- вавшим упрощением арифметических операций, были столь велики, что, несмотря на все препятствия, позиционная система постепенно вытеснила старые способы счёта и старую нумерацию. Интересным примером торжества новой нумерации явились записи, сделанные с помощью римских цифр, но с употреблением нуля и позиционного принципа. Так, Н. Окреат на рубеже XI—XII вв. писал III III (т. е. 33) или I. 0. VIII. IX (т. е. 1089) и т. д. *)• Леонардо Пизанский, или Леонардо Фибоначчи, в своём сочине- нии «Liber abaci» (1202) * 2) выступил убеждённым сторонником новой нумерации: «Девять индусских знаков, — писал он, — суть следующие: 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. С помощью этих знаков и знака 0, который называется по-арабски zephirum, можно написать какое угодно число». Здесь словом zephirum Леонардо передал арабское слово as-sifr, являющееся дословным переводом индусского слова sunya, т. е. пустое, служившего названием нуля. Слово zephirum дало начало французскому слову zero (нуль) и итальян- скому слову zero. С другой стороны, то же арабское слово as-sifr было передано через ziffer, откуда произошли французское слово chiffre, немецкое ziffer, английское cipher и русское цифра 3). Вплоть до середины XVII в. это слово употреблялось специально для обо- значения нуля. Например, в «Арифметике» Магницкого цифрой на- зывается только нуль. Латинское слово nullus (никакой) вошло в обиход для обозначения нуля в XVI в. 4 5). В Германии, Франции и Англии новые цифры до второй поло- вины и даже до конца XV в. почти не употреблялись. Первые монеты с индусскими цифрами появились в 1424 г. в Швейцарии в), в 1484 г. — в Австрии, в 1485 г. — во Франции, в 1489 г. — в Гер- мании и в 1551 г. — в Англии. На могильных плитах эти цифры появились впервые в Бадене (1371) и Ульме (1388). В 1488 г. была напечатана книга «Об искусстве счисления» («De arte numerandi»), известная также под названием «Algorismus», в которой без при- меров и доказательств сообщались правила «индусской» арифметики. х) D. Smith and L. Karpinsky, The hindu-arabical numerals, стр. 119—120. 2) Слово «абак» стало в то время обозначать уже арифметику вообще, и таким образом, сочинение Леонардо — это «Книга по арифметике», а не о счётной доске — абаке. 8) Характерно, что в разгар борьбы алгорифмиков и абацистов слова «алгорифм» и «цифра» нередко служили насмешливыми синонимами для какой-либо бесполезной, пустой вещи! 4) Термины nulla figura, nullus circulus (никакая фигура, никакой кру- жок) для обозначения «нуля» появляются в XII в. в латинских переводах и обработках арифметических сочинений на арабском языке. 5) В Сицилии, тесней связанной с арабскими государствами, индусские цифры на монетах появляются ве позднее Ц38 г.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЗИЦИОННОГО ПРИНЦИПА 55 Книгу эту обычно приписывают упоминавшемуся уже раньше Джону Галифаксу, именуемому чаще Сакробоско. Лишь в XVI—XVII вв. новая нумерация почти полностью вытесняет старую. Однако ещё во второй трети XVI в. числа в календарях обычно печатались римскими цифрами. В России первая дошедшая до нас математическая рукопись восходит к началу XII в. Это — «Кирика Диакона и Доместика Антониева монастыря учение, им-же ведати человеку числа всех лет». Числа в этой рукописи выражались в алфавитной системе нумерации. Это же относится и к спискам знаменитого юридического памятника, «Правды Русской», относящимся к XIV—XV вв. Новая система нумерации получила распространение в России лишь не- многим позднее, чем в Западной Европе, где с нею смогли познако- миться ранее. ,Уже во всех без исключения математических руко- писях XVII в. применялась позиционная десятичная нумерация. Как писал В. В. Бобынин, «Следы прежнего употребления древней греко-славянской системы встречаются только в древнейших из них, да и то в таких слабо выраженных формах, как пояснение значе- ния арабских цифр соответствующими славянскими или встречаю- щиеся время от времени обозначения данных чисел славянскими цифрами одними или же вместе с арабскими. Рукописи второй поло- вины XVII столетия не содержат в себе даже и этих незначитель- ных следов» ’). В широкий обиход новая нумерация вошла, однако, не сразу. В печатных сочинениях на славяно-русском языке индусские цифры появились впервые при нумерации страниц в двух книгах духовного содержания, изданных в Венеции в 1611 г. В книге, изданной в русской типографии («Псалтырь», напечатанная в местечке Евю), индусская нумерация страниц впервые встречается в 1638 г. В 1647 г. в Москве была издана книга «Учение и хитрость ратного строения пехотных людей», в которой все цифры на чертежах и в ссылках в тексте на чертежи были уже индусскими. Однако ещё долгое время в книгах приводились как «числа русские», так и «цифирные», т. е. индусские. Ещё в 1702 г. «Юрнал» об осаде Нотебурга, выпущенный в 2000 экземплярах, в 1000 экземпляров имел арабо-индусские, а в 1000 экземпляров — славянские цифры. В знаменитом руководстве «Арифметика, сиречь-наука числитель- ная. С разных диалектов на славянский язык переведенная, и во едино собрана и на две книги разделена. В лето от сотворения мира 7211, от рождества Бога Слова 1703. Сочинися сия книга через труды Леонтиа Магницкого», по которому учился великий русский учёный М. В. Ломоносов, обозначения страниц — славян- ские, но вычисления в тексте производятся исключительно на *) В. В. Бобынин, Очерки истории развития физико-математических теорий в России, выи. 1, стр. 43,
56 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ ,4 У А «А^КА WAHTfAHAA . QpA^HKIX'i ДМЛСКТЮБ'Ь HACAABCHtKIH 1аЗь’,^‘Х ПНБСДСНАА ...* ....... “ КНИГИ | Н ынт же побсл^нилга БСЛНКАГШ [др А НАШСГШ К»3А ГИЯ’(Ц Д Б(СА БСЛНК1А / 4 lz / z II ЛЛАЛЫА И С'СЛЫА рШСПН (АЛЛОДС fJKUA I При елгородн4ншслА7> бслико/ит Гдргь наше Ц[>1БНч4 , И БСЛИКОМТ ^1Н » 4 МОСКБ'Б TVnOlfAcbcKHAVi . 5 / 4 ) / И ВО £ДННО (ОКСАНА 7 И НА ДЬ'Ь КНИГИ fA^A'KAfHA . / I * ЕЛГОЧС СТНБ'ЕНШАГЦ) | |j" А И БМИКАГШ * / 'У • 1/ ' И ЛАД АМА И С'ьЛЫА flVCCIH (АЛЛОДС f?KUA ; При клгородн4ншсм'Ь бсликолат ( др4 НАШС •"*/ » I л в I t Превичъ । 14 1 Л, « ~ . л ПРГЙОбШТ , Б еГОСЛАСАГМОЛЛ'К ЦрТБОЮГрС БСЛИКОЛГЬ грдд THCHfHlfAVi САДИ IVE&fHIA МОДрОЛЮЕИБЫХЧ, t и 1 » Z • > / MUCCIHCKHY'A И BOjfACTA ПС fБОС , OTfOKtVBT , Н БСАКАГГи / V АГСДСН I ./ / .. I Б'А Л'ЕТО IV COTBOMHIA All f Д , IV 1ЖТ6А fKf ПО ПЛОТИ / г» * / г" СГА СЛОВА ./.ЦТ 1 1НД1КТА А| , ' ЧИНД НА (B'ET'i ПроИ^ВСДСНА 1Д Сочнннса Нл книга чр тр^ды » Дсонтм мдгинцклгш Титульный лист «Арифметики» Магницкого.
ДРОБИ 57 индусских числах. Определение нумерации там даётся следующее: «Чго есть нумерацио: нумерацио есть счисление еже совершенно вся числа речию именовати, яже в десяти знаменованиях или изо- бражениях содержатся и изображаются: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,0». Заметим, между прочим, что нумерация в то время считалась ещё пятым действием арифметики. Наиболее ранние русские монеты с индусскими цифрами —- золотые монеты достоинством в */4 червонца с датой 1654 г. Чека- нились они в основном не для денежного обращения, а для даре- ний, наград и т. п. Непосредственно затем на обращавшихся в нашей стране западноевропейских талерах («ефимках») поставлены были клейма с датой 1655 г. При Петре I индусские цифры на монетах полностью вытесняют славянские, в последний раз появившиеся на медных монетах 1718 г. *). В послепетровские времена славянские цифры быстро исчезли из обихода. § 6. Дроби В современной математике дроби вводятся как пары целых чисел (т, п), для которых известным образом определено отношение равенства, подчиняющееся законам рефлексивности, симметричности и транзитивности, а также определены правила действия 2). При этом целые числа можно рассматривать как частный случай таких дробей, а операции над целыми числами — как частный случай операций над дробями. После такого расширения области целых чисел до области рациональных чисел (или пар целых чисел) становится разрешимым каждое уравнение ах = Ь, где а, b — целые и а ф 0. Однако в действительности дроби возникали не как результат деления целых чисел; тем более не были они созданы для того, чтобы операция деления, обратная операции умножения, была всегда возможной. Если бы дроби появились в результате деления целых чисел, то все они были бы с самого начала логически однородны, что -отра- жалось бы в их трактовке и в обозначениях. Исторически же это было не так. Чтобы убедиться в этом, достаточно просмотреть прилагаемую здесь таблицу египетских дробей (рис. 3). Во-первых, мы видим, что египтяне имели обозначения только для дробей вида и для некоторых дробей вида -—При п ^5 . 1 , , все дроби — обозначались вполне единообразно при помощи символа «=>, обозначающего «часть», под которым подписывался Ч По данным И. Г. Спасского. 8) О трактовке дробей с этой точки зрения см. в этой книге статью И. В. Проскурякова.
58 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ символ для числа п. Так, уу обозначалось, как "я*. Следуя при- нятой нами раньше терминологии, мы будем все такие дроби назы- •1/ /2 7 А. 2 , 1 1/ /3 "Y* । 11 о 111 7з ГР* т 1J Т л/ \/ /4 <=> ни <=> пи <о 1111 —А • X /Г 3/ А [ff* 5? О И Л % У У 2 хе* л* яу) 2/з Ха AlA’/n у А га шт •<=> НИИ i 1 г б/ /6 [р] // X л -М Древнее царство Новое царство Поздней- шее время Древнее Новое Демоти- ческое письмо Иероглифическое письмо Иератическое письмо Рис. 3. вать алгорифмическими. Однако для обозначения у вместо знака 5?, ко- торый следовало бы ожи- дать, египтяне употребля- ли особый символ а 1 ТГ означал не , 2 2 Символ кото- о 1 рый, казалось бы, должен означать единицу, на са- мом деле служил для . 1 3 обозначения —— в этих о 4 же записях обозначалось, как 5у>. Впоследствии уже служило для обозна- I 3 , чения -у, а -у по общему правилу представлялось, как у -) -у. Но спепиаль- 1 2 ные значки для -о- и - со- Л о хранились неизменными. Такие же индивиду- альные обозначения, от- а а ступающие от общего правила, для группы небольших дробей име- лись у вавилонян (рис. 4), греков и римлян. Так, ~ обозначалась у греков символом < , тогда как все дроби — при обозначались символом для соответствующего / - 1 числа п со штрихом справа сверху например, у означало 1 2\ а символ Р', который должен был бы обозначать -у, обозначал -j, т. е. картина обозначений здесь та же, что и в Египте. Аналогично , 2 , этому по-аккадски для обозначения употреблялось выражение sitta qata, т. е. «обе руки», а для у — salasta qata, т. е. «три руки». У римлян эти же дроби выражались словами bes (binae par- tes) и ties partes, т. e. две части и три части,
ДРОБИ 59 Нет ни одного языка, в котором слово для обозначения к 1 являлось бы производным от слова «два». Так, по-латыни -к- назы- 1 2 вается semis (а два — duo), по-немецки %— halt», в то время как 2— Дроби, имеющие индивидуальные названия или обозначения, мы будем называть узловыми. Различие в обозначениях узловых и алго- рифмических дробей, как мы покажем, отражает различие в их про- исхождении. В то время как узловые дроби возникли непосредст- венно из практики, как самостоятельные числовые сущности, а не как производные от целых чисел, алгорифмические дроби явились результатом последующей математической обработки. , То обстоятельство, что дроби произошли не в результате деле- ния, подтверждается не только указанной неоднородностью дробей, но и некоторыми известными из истории примерами деления целых чисел друг на друга. Так, в одной 'арабской рукописи XII в. н. э. имеется задача: «разделить 100 фунтов между одиннадцатью чело- веками поровну». Автор решения получает при делении остаток, равный 1 фунту. Для его распределения автор не прибегает к дро- бям — он предлагает променять этот фунт на яйца, которых, как он устанавливает, придётся 91 штука. Распределив 88 яиц по 8 на каждого человека, автор предлагает оставшиеся три яйца отдать за труды тому, кто делил, или же променять их на соль к яйцам. .Подобным же образом поступает учёный Одо Клюнийский (ум. 942 или 943). Деля 1001 фунт на 100, он раздробляет полученную в остатке единицу в унции, драхмы и т. д., пока число долей не станет больше ста. Так как и после этого деление нацело невоз- можно, он предлагает получившийся маленький остаток совсем отбросить. Деление здесь не приводило, таким образом, к дробям, но осуществлялось путём введения более мелких именованных еди- ниц, а незначительный остаток просто отбрасывался. Для выяснения вопроса о происхождении дробей нужно обра- титься не к счёту, а к другому процессу, появившемуся с самых древних времён наряду со счётом, — к измерению. Исторически дроби возникли в процессе измерения. В основе всякого измерения
60 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ всегда лежит некоторая область величин (длины, объёмы, веса и т. д.). Выбор той или иной единицы, служащей основанием си- стемы мер, обусловливается конкретной исторической обстановкой. Меры в своём развитии прошли примерно те же этапы, что и числа. На первых стадиях развития человеческого общества измерение производилось «на-глаз». Мера воспринималась как некоторое свойство предмета, т. е. и здесь первоначально можно говорить лишь о мере — качестве. С дальнейшим развитием общества, когда такое измерение «на-глазок» стало явно недостаточным, появились некоторые натуральные меры, которыми были прежде всего, части человеческого тела: длина ступни, ширина ладони, расстояние от локтя до конца вытянутого среднего пальца и т. д. О существовании таких древнейших мер говорит название мер длины, сохранившееся вплоть до наших дней. Такими мерами яв- ляются фут (длина ступни), дюйм (ширина большого пальца руки при его основании), ярд (локоть), пальма (ширина ладони). К этой же категории мер относятся маховая сажень (расстояние между средними пальцами разведённых рук) и косая сажень (расстояние между большим пальцем левой ноги, широко отодвинутой от пра- вой, и средним пальцем вытянутой вверх правой руки), бывшие долгое время в употреблении у нас в России. Меры эти служили первоначально для установления равенства измеряемых величин (равновеликости), а также для установления того, какое кратное некоторой единицы меры содержится в измеряемой величине. При этом единицу меры Е повторяли целое число раз, до тех пор пока её кратное пЕ = не становилось примерно равным из- меряемой величине А ^т. е. пока | А—Этим уста- навливалась связь измерения со счётом. Потребности более точного измерения привели к тому, что первоначальные единицы мер стали раздроблять на две, три или четыре части. Получившаяся в резуль- тате раздробления более мелкая единица меры получала индиви- дуальное название, и величины измерялись уже в этой, более мел- кой единице. Таким образом возникали первые конкретные дроби как опре- делённые части некоторых определённых мер. Лишь много позднее названия этих конкретных дробей стали служить для обозначения таких же частей других величин, а затем и для отвлечённых дробей. «Не следует путать „четверть“ и „четь", как единицу измере- ния земельной площади или меры сыпучих тел, с „четвертью" или „четью", как дробью», — пишет Л. В. Черепнин1). Долгое время 1 выражение «полчетверти» означало g-, но половина четверти как *) Л. В. Ч е р е п н и и, Русская метрология, М., 1944, стр. 53.
ДРОБИ 61 земельной меры обозначалась словом осьмина, употреблявшимся только как определённая земельная мера. Нельзя было сказать, например, осьмина книги или осьмина пути. Только много позднее осьмина стала служить для обозначения дроби -°. Аналогично этому О „ 1 унция в римской системе мер первоначально означала часть денежной — весовой единицы асе. Однако постепенно слово унция начали употреблять как двенадцатую часть любой величины, т. е. в смысле отвлечённой дроби, и стало возможным говорить о пяти унциях пути или семи унциях книги. Итак, первоначально узловые дроби служили названием опреде- лённых частей некоторых определённых мер. Отвлечённых дробей в это время ещё не существовало. Это утверждение полностью подтверждается рассмотрением тех символов, которые первоначально употреблялись для обозначения , „ „ 112 индивидуальных дробей. Вавилонские символы для ~0,ъи Тявля" d Z о о лись одновременно изображениями сосудов, т. е. конкретных мер объёма. Египетской единицей площади был сетат — квадрат со сто- роной в один хет (один хет равен 100 локтям). Четверть сетата называлась «ломаной» и обозначалась х . Впоследствии слово «ло- маная» стало общим названием дробей, а символ х начал обозна- чать в иератической системе отвлечённую дробь Есть основа- ние предполагать, что половина сетата обозначалась знаком < (или cz). Единицей объёма служил «гекат», равный приблизи- тельно 4 у л. Так как эта единица была очень мала, то обычно в качестве единицы принимали 100 гекатов. Половина и четверть этой единицы обозначались также при помощи символов < и х поставленных под символом, изображающим 100 гекатов1). Обозначение типа X Г, где буквой Г мы условно обозначили символ геката, полностью аналогично употреблявшемуся римля- нами выражению 5 унций пути. Такое перенесение названий опре- делённой части одной меры для обозначений той же части другой меры явилось важнейшим шагом на пути создания абстрактного понятия дроби. Другой единицей объёма у египтян было хену, равное гека- 1 та; хену называлась частью и обозначалась символом <=». Впо- oZ следствии, как мы видели, этот символ употреблялся для обозначе- ния части вообще. ’) И. Н. Веселовский, Египетская наука в Греции, стр. 437—440. Труды Института истории естествознания, т. II, 1948.
62 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Таким образом, знаки для узловых дробей были первоначально знаками конкретных единиц мер. Затем эти знаки, написанные в сочетании с другими единицами мер, стали обозначать доли этих других единиц. То общее, что имеют определенные доли различных мер — дробь, выделялось постепенно. Далеко не сразу было заме- чено, что арифметические свойства дробей, получаемых первона- чально путём повторения т раз n-й доли некоторой величины х: х = ™х, не зависят от свойств той области величин, к которой принадлежит х. Процесс шёл много медленнее, чем процесс обра- зования отвлечённого целого числа. Достаточно сказать, что даже римляне пользовались только конкретными дробями. Есть все основания предполагать, что первоначально существо- вали только двоичные дроби. «Первой дробью, с которой познако- милось человечество, как нетрудно видеть а приори, была половина в её строго конкретной форме, именно в виде половины какого- нибудь реального предмета» *). Вслед за половиной появляются дроби, идущие по двоичной си- стеме. Этот этап развития нашёл своё выражение в древнеегипет- ской метрологии. Единицу площади сетат египтяне подразделяли на вторые, четвёртые, восьмые, шестнадцатые и тридцать вторые доли. Такие же подразделения имела и мера объёма — гекат. Для всех этих долей существовали индивидуальные названия. «В силу кон- кретности этих долей счёт их производился так же, как и счёт всяких целых предметов»2). Естественно, что числителями таких дробей могли быть только единицы. Позднее к этим дробям была присоединена j и её двоичные подразделения. Такие подразделе- ния встречаются в более позднем египетском способе деления (обра- зование половинного и двух-третних рядов). Подобным же образом строились и древнерусские меры. Так, единицей земельно-податной меры являлась соха, которая делилась на «полсохи», «треть сохи», «четверть сохи», «полтреть сохи», «пол-полтреть сохи» и «пол- пол-полтреть сохи». Другой земельной мерой была четверть, от которой бралась сначала треть, а потом половинные доли, наимень- шей из которых была «пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол- третних». Система древнерусских дробей строилась по тому же прин- ципу, что и система мер. Основными дробями являлись: у числа, которая обозначалась словом «пол», 1 > » » » «треть», *) В. В. Бобынин, Отзыв о сочинениях Н. М. Бубнова, стр. 114. s) В. В. Бобынин, Цит. соч., стр. 115.
ДРОБИ 63 1 4 числа, которая обозначалась словом «четь, или четверть», _1_ 6 » » » » «полтрети», 1 8 » » » » «полчети», или «полчет- 1 верти», 1 12 » » » » «пол-полтрети», 1 16 » » » » «пол-полчети», 1 24 » » » » «пол-пол-полтрети», или 1 32 » » » » «малые трети», «пол-пол-полчети», или «малые чети». Остальные дроби в древнерусских источниках часто выража- лись посредством сложения и вычитания этих «основных» дробей. „11 1 . 1 . 1 29 1 1 1ак схематически представлялось как -х-4-,„-4-= Z4 О 1 1Z 1 Z4 УО о OZ Все эти соотношения выражались словами. Для обозначения ка- кого-нибудь числа единиц без половины единицы употреблялось выражение «пол» этого неполного числа единиц. Так, 2 назы- *э 1 л 1 к 1 валось «полтретьи», 3 -% — «полчетверти», 4 ^--«полпяты», 5 2--- «полшесты» и т. д. В качестве пережитка у нас до сих пор сохра- ,1 пилось выражение «полтора» для 1 , т. е. «полвтора» — полвто- рого. Аналогичная система обозначения сохранилась у нас при счёте времени (полпятого, полшестого и т. д.) ’). По гипотезе И. Н. Веселовского египтяне от двоичных дробей перешли к дробям вида в связи со счётом времени. При этом в качестве «числителя» дроби продолжали фигурировать только о 15 единицы. Число -)У-, например, не могло быть выражено в египет- 1 15 ской системе при помощи единого символа. Понятие о у?-, как о едином числе, единой дроби, у египтян не было. Все дроби вида —, где они представляли по общим правилам в виде суммы , причём если i^j. Так как число т можно пред- ‘) Подобные же образования сохранились и в датском языке. Так 50 по- датски halvtresindstyve, что означает буквально полтри раза по двадцать.
64 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ ставить в двоичной системе л« = 2"1-|-2''г-|- . 2пь, ... \ л т V 1 . то для представления в виде суммы Д - доста - 2 точно было уметь представлять в таком виде дроби —.И действи- тельно, в египетских папирусах мы находим таблицы для подоб- 2 ного разложения —, л=3, 5, 101. О том, как были состав- лены эти таблицы, существует много различных гипотез, которых мы здесь касаться не будем1). Отметим только, что уже при со- ставлении этих таблиц, преследовавших чисто практические цели, египетскому вычислителю пришлось столкнуться с теоретико-число- выми проблемами. В Греции, так же как и в Египте, употреблялись по преимуще- ству дроби вида ' . Видимо, первоначально этой областью грече- ” 1 ские дроби и ограничивались. Для обозначения дроби п , как мы говорили, писалось числовое значение п со штрихом справа. Так ~ записывалась, как ху' (х = 20, 7 = 3). Герои Александрийский (I—И вв. н. э.) употреблял дроби вида Для их обозначения он сначала писал символ для т со штри- п хом справа, а затем дважды повторял символ для п, снабжённый 2 двумя штрихами справа. Например, дробь --- обозначалась, как р е”е", а дробь , как (х=20, Х = 30, 7=3). Диофант (III в. н. э.) обозначал дробь, как и мы, при помощи черты, только знаменатель он записывал над чертой, а числитель—- под ней. Так, дробь он записывал в виде ^|(хе = 25, >;а = 21). „ , 1 270558 a,wit Дробь - глигт- выглядела так: ——=. 1 10 817 У Диофанта встречается и другое обозначение дробей: сначала записывается числитель, затем знаменатель, между которыми пи- шется слово popwv (частица). Например: 3 069 000 — , —— -331-7767 = ^ • '^ор-Х7-^о?. Так же как и в Египте, в Греции было распространено пред- ставление дробей в виде суммы дробей с числителями единица, т, 9 1 I 1 , Например, 20=4’“Г 5 = 9® (сложение заменялось простым приписы- ванием). ‘) См. цитированную выше статью И. Н. Веселовского и статью С. А. Яновской «К теории египетских дробей^. Труды Ин-та истории есте- ствознания, т. I, 1947.
ДРОБИ 65 Для астрономических расчётов греки употребляли вавилонские шестидесятиричные дроби, о которых мы скажем ниже. Как уже говорилось, в отличие от греков римляне пользовались только конкретными дробями, а именно частями денежной единицы асе, подразделявшейся на 12 унций. Впоследствии унции стали при- меняться для измерения любой величины. Таким образом, Рим, знав- ший только именованные дроби, отставал в этом отношении даже от Египта более чем на полторы тысячи лет. Знаком для унции служила черта —, половина обозначалась буквой S (первая буква слова semis). Остальные двенадцатиричные дроби выражались ком- бинацией этих двух символов. и 7 6 I 1 1 I 1 С Например, Г2= 12 + ]2= 2+T2 = * S ~ 24 асса называлась семунцией (semunzia), g1 » » дуэллой (duella), 43 » » сициликом (sicilicus), » » секстулой (sextula). Второй ряд подразделений основной единицы шёл следующим . 1 1 1 .1 ,1 образом: 1 —асе, T7s = unzia, = semunzia, = setup el, = IZ ZQ Zoo Си О = simplium, т. e. каждая следующая дробь возникала из предше- ствующей попеременным умножением знаменателя на 2 и на 12. Весовая единица асе и её подразделения на унции долгое время сохранялись в аптекарском обиходе. Двенадцатиричные дроби рим- лян долгое время были в употреблении и у средневековых абаци- стов. На примере истории римских дробей можно видеть «непосред- ственное применение метрологической системы, выработанных для неё правил и приёмов счисления к отвлечённым дробям и выпол- нению над ними действий счёта» *). Такие случаи наблюдались и в других местах. Индусы не распространили изобретённую ими десятичную пози- ционную систему на изображение дробей. Простые дроби они обо- значали, надписывая числитель над знаменателем, но не ставили разделительной черты. Так, в Бахшалинской рукописи дробь -д- изображается, как ' . При изображении смешанной дроби целая часть надписывалась над числителем. Например, число 1 -д- схема- 1 тически изображалось, как 1. Такая запись впервые встречается у О *) В. В. Бобынин, Отзыв о сочинениях Н. М. Бубнова, стр. 119. 5 Энциклопедия, кн. 1.
66 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ таджикского учёного ал-Насави (ум. ок. 1030 г. н. э ), причём в случае отсутствия целой части ал-Насави приписывал сверху нуль; он 0 изображал так Дробную черту мы встречаем у ал-Хассара (XII в.). Леонардо Пизанский применял её регулярно. Однако обще- употребительной она стала только в XVI в. Символы для изобра- жения дроби в средние века были крайне разнообразны. Иногда числитель и знаменатель записывали при помощи римских цифр, своеобразно используя мультипликативный принцип. Так, в одной немецкой книге по арифметике (1514) дробь изображалась, как IIе DII^LX * манускрипте середины XIV в. встречаются «обозначе- ния 35 для 4 и 47 для ~. Часто вместо -4 писали -ь; так 4-г-оа- 5 7 2 начало 4 2 . При произношении дроби в средние века всегда до- « 2 бавляли слово «части»: у произносилось, как две пятых части. В России (XVI—XVII вв.) при выговаривании дроби со знаме- нателем от 5 до 10 прибавляли окончание «ина». Например, j---- седьмина, jg —десятина. Если знаменатель был более десяти, то к названию дроби добавлялось слово «жеребей», 75, например, читалось, как пять тринадцатых жеребьев. Дроби в русских ру- кописях назывались долями; позднее их стали именовать ломаными числами, что соответствовало латинскому термину numeri fracti. Такой терминологии придерживался и Магницкий в своей «Ариф- метике». Единообразное алгорифмическое представление любых дробей впервые было проведено вавилонянами, обозначавшими дроби по той же шестидесятиричной позиционной системе, что и целые числа. При таком обозначении дроби подразумевалось известным, какие именно доли единицы берутся (60-е, 3600-е и т. д.); в записи непосредст- венно отмечалось только количество взятых долей.Индивидуальные /112 \ обозначения небольшой группы дробей (у, у, у и т. д. I были почти полностью вытеснены из математических текстов. Даже -у впервые получила тут алгорифмическое представление в виде «< (0,30). Шестидесятиричные дроби имели то неоспори- мое преимущество, что оперировать с ними можно было по тем же правилам, что и с целыми числами. Благодаря этому шестидесяти- ричные дроби позднее распространились за пределы Вавилона.
ДРОБИ 67 Вероятно, не позднее середины II в. до н. э. дроби эти главным об- разом через посредство астрономических сочинений перешли в Але- ксандрию. Так как греческая алфавитная система нумерации была мало приспособлена для записи больших чисел и для оперирования с ними, то астрономам для вычислений таблиц нужно было либо ввести новую систему нумерации для целых чисел и принять радиус окружности равным достаточно большому целому числу (тогда хорды выражаются с нужной степенью точности в целых единицах этого радиуса), либо ввести новый способ представления дробей. Греческие астрономы выбрали последнее. Они оставили неизменной нумерацию целых чисел, а для дробей применили шестидесятирич- ную систему вавилонян, в которой они только изменили начерта- ние цифр. Числа от 1 до 59 они обозначали не по аддитивному принципу при помощи знаков Т и (, а при помощи букв ал- фавита. Знаменитый греческий астроном Клавдий Птолемей (II в. н. э.) делил окружность круга на 360 частей. Для этих частей Птолемей иногда употреблял слово тр.т]'р.ата, т.е. отрезки, которое было до- словно переведено латинским словом segmentes. Чаще он называл их просто частями: p-oipat, сокращённо обозначая их у.°. Впоследст- вии начали писать один только верхний кружок, который сохра- нился до сих пор для обозначения градуса. Само слово «гра- дус», по мнению Г. Нессельмана (1842), имеет арабское проис- хождение. Каждую из получившихся частей (градусов) Птолемей делил в свою очередь на 60 частей, которые он называл словом Хеита, до- словно означающим «мелочь», или «первыми шестидесятыми». Сле- дующие два шестидесятиричные подразделения он называл «вторы- ми шестидесятыми» и «третьими шестидесятыми». При переводе на латынь эти подразделения получили названия: minnta prima, minuta secunda, minuta tertia (т. e. первая минута, вторая минута и третья минута); слово «minuta» означает «уменьшенная» или «мелкая», являясь, таким образом, латинским переводом греческого слова «Хеита». Отсюда произошли наши слова минута и секунда. Птолемей пользовался обычно не полными, а сокращёнными обозначениями шестидесятиричных разрядов, при этом его обозначение минут, се- кунд и терций совпадало с современным. Число 37°4'55" он запи- сывал, как p.°AC8've". Иногда символ у.° опускался, и тогда над числом градусов ставилась горизонтальная черта. При записи шестидесяти- ричных дробей греки употребляли символ о для обозначения про- пущенного разряда, сходный по форме с нашим нулём. Так, число 12°0'24" записывалось, как фо'хй"» Целые числа продолжали запи- сывать по обычной алфавитной системе. Буква о являлась в ней, как и прежде, символом для числа 70. В записи шестидесятиричных дробей число 70 встретиться не могло (так как число единиц в каждом шестидесятиричном разряде не превосходит 59), поэтому 5*
68 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ букве о (омикрон) можно было приписать новое числовое значение. Предполагают, что знак 0 возник в результате сокращения слова oooev— ничего. Заметим, что при специальном обозначении разрядов такой сим- вол вовсе не был необходим, в то время как в вавилонской систе- ме, когда отдельные разряды никак не отмечались при записи, вве- дение межразрядового символа было очень существенным. Шестидесятиричные дроби перешли от вавилонян не только к грекам, но и в страны Среднего и Ближнего Востока, а затем и в Западную Европу. Дроби эти употреблялись только в научных сочинениях; в общежитие они не вошли. В Средние века, таким образом, в Европе для представления целых чисел употреблялась десятичная позиционная система нумерации, а для дробей —либо шестидесятиричная система’, либо различные представления в виде простых дробей *). Некоторые намёки на десятичные дроби встречались ещё у индусов, которые при извлечении квадратного корня, в случае, если он не извлекался нацело, приписывали к подкоренному выра- жению столько пар нулей, сколько нужно было получить лишних знаков в корне. Однако десятичные дроби индусы всегда писали со знаменателем и не распространяли на них общей десятичной нумерации. Аналогичные приёмы употребляли и математики Сред- него Востока, например ал-Насави. В Европе подобный способ извлечения квадратных корней был впервые применён Иоанном Севильским в упоминавшемся уже нами сочинении «Практическая арифметика алгоризма» (XII в. н. э.). В середине XV в. при составлении тригонометрических таблиц учё- ные иногда принимали радиус круга равным 106 или 107 (Регио- монтан и др.) и, таким образом, фактически получали значения тригонометрических величин в десятичных дробях. В XV — XVI вв. дроби с десятичными знаменателями встреча- ются всё чаще. Так, мы находим довольно развитое учение о дробях с десятичными знаменателями у одного математика XIV в., жившего во Франции *). Подобные же дроби встречаются и у Кардана (XVI в.)1 * 3). Немецкий арифметик Грамматеус (1523) 1) Действия с дробями долгое время считались труднейшим и запутан- пейшим отделом арифметики. У немцев до сих пор сохранилась пого- ворка — «попасть в дроби» (in die Briiche gerathen), употребляемая в смысле «попасть в тупик». Глава о дробях помещалась обычно в самом копце учеб- ника, чтобы учащийся, не желающий себя слишком затруднять, мог овла- деть остальными правилами арифметики без знания дробей. Большинство учеников так до этой главы и не добиралось. ') О нём см.: Gandz, The invention of the decimal fractions and appli- cation of the exponential calculus by Immanuel Bonfils of Tarascon (Isis, XXV (1), 1936). 3) Самаркандский математик и астропом Джиат-Эддин Джемшид ал- Каши около 1420 г. выразил в виде десятичной дроби более чем с 15 зна- ками отношение длины окружности к радиусу.
ДРОБИ 69 советовал применять такие дроби для сравнения простых дробей. 5 2 Чтобы узнать, какая из дробей -<г и „ больше, он приписывал О о к каждому из числителей нули, т. е. раздроблял их в десятичные 500 „„ 1 200 „„ 2 доли, а затем делил их на знаменатели: -„- = 62-5- и -==66-5-, О Z о о 2.5 откуда -g > -g . Французский ученый Ороне Финэ (примерно 1550) при извлече- нии квадратного корня из 10 приписал к 10 шесть нулей, также получив фактически выражение искомого корня в десятичных дро- бях. Однако он сразу же перевел полученное выражение в при- вычные шестидесятиричные дроби. Этот пример ясно показывает, что, несмотря на фактическое появление десятичных дробей, вплоть •до последней четверти XVI в. они не применялись сколько-нибудь систематически. Впервые начал последовательно применять десятичные дроби фла- мандский инженер и учёный Симон Стевин (1548—-1620). В 1584 г. он издал на фламандском языке, а вскоре после этого и на фран- цузском таблицу процентов, а в следующем году опубликовал сочинение «La disme enseignant facilement expedier par nombres entiers - sans rotnpuz tons comptes se rencontrans aux affaires des hommes» («Десятая, обучающая легко производить все расчёты, встречающиеся в людских делах, с помощью целых чисел, без дро- бей»), В этой брошюре, содержавшей .всего семь страниц, и были вве- дены десятичные дроби. Стевин вполне понимал значение десятичных дробей и распространил на них все действия арифметики. Он видел, что десятичные дроби были бы особенно полезны при условии введения десятичной системы мер, первым энергичным поборником которой он и сделался. Его желанием как можно шире распро- странить десятичную систему объясняется и то, что он написал «La disme» не по-латыни, а на разговорных фламандском и фран- цузском языках. Обозначение десятичных дробей, предложенное Стевином, зна- чительно отличалось от современного. Вместо нашей запятой он употреблял нуль, заключённый в кружок, а после каждого десятич- ного разряда указывался его порядковый номер, который также по- мещался в кружок. Например, число 35,912 записывалось им так: 35(0 В этом способе записи применяется тот же принцип, что и в предложенном Стевином обозначении показателей степеней неизвестных. В 1608 г. «La disme» была переведена на английский язык Ричардом Нортоном, а в 1619 г. в Англии было опубликовано сочинение Генри Ляйта по десятичной арифметике. Однако десятичные дроби далеко не сразу вытеснили все остальные. Им, как и десятичной позиционной системе счисления,
70 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ пришлось с трудом пробивать себе дорогу, завоёвывая себе место в упорной борьбе со старой традицией. На континенте после Стевина десятичные дроби систематически применял Бюрги (1552—1632), швейцарец по рождению, рукопис- ные сочинения которого относятся примерно к 1592 г. Бюрги упо- требил в качестве знака отделения целой части числа от дробной нуль, поставленный над цифрой для единиц. В 1603 г. Бейер во Франкфурте-на-Майне выпустил сочинение «Logistica Decimalis» («Десятичная арифметика»), в котором излагал правила действия с десятичными дробями. Эти дроби Бейер считал своим собственным изобретением. Бейерово обозначение десятичных дробей напоминает господствовавшее в то время обозначение для шестидесятиричных дробей. Число 123,459872 он записывал в виде О I И III IV V VI О III VI VI 12 3-4-5-9-8-7-2 или короче в виде 123-459-872. Число 54 означало в его системе 0,009054. Бейер замечает, что его дроби отличаются от обычных тем, что при их обозначении знаменатель надписывается над числителем. В течение XVI—-XVII вв. продолжали существовать различные обозначения для десятичных дробей. Первое введение в качестве разделительного знака запятой при- писывается Бюрги и Кеплеру (1571—1630), употреблявшим её на- ряду со скобкой. Десятичными дробями занимался и Непер (1550—1617), изло- живший теорию этих дробей в своём сочинении «Rabdologia». В этой книге дроби, как правило, обозначаются тем же спосо- бом, каким мы теперь записываем градусы, минуты, секунды и т. д. Дробь 28,675 записывалась у него так: 28О67"5'", что читалось, как 28 целых, 6 прим, 7 секунд, 5 терний. Иногда разряды у него разделялись ещё двумя точками. В этом же сочинении Непер приме- нил в качестве разделительного знака точку, применяющуюся до сих пор в качестве разделительного десятичного знака в Англии и Америке 1). Однако наряду с десятичными дробями на протяжении всего XVII в. встречаются ещё и шестидесятиричные дроби, кото- рые были окончательно вытеснены только в XVIII в. У нас, в России, изложение учения о десятичных дробях впер- вые встречается в «Арифметике» Л. Магницкого (1703). Магницкий различал арифметику — логистику или астрономскую, т, е. опери- рующую с шестидесятиричными дробями, которые он записывал в виде о I п ш IV 51 25 42 51 25, и иную арифметику, «яже децималь или десятич- ная именуется», которую он употреблял только в геометрии. Изла- гая эту десятичную арифметику, он описывает десятичные меры длины и площади. В качестве мер длины там вводилась рута (гер- ) Впервые употреблял (пе систематически) десятичную точку Хр. Клавий
ДРОБИ 71 майская сажень), равная 10 футам; 1 фут = 10 нолей, или пальцев; цОль = 10 гран, или зёрен; гран =10 скрупелей, или дробей. В XVIII в. десятичные дроби получают всё бблыпее распростра- нение. Окончательно они укрепились в связи с введением десятич- ной системы мер и весов1). Теперь и в житейском обиходе, не говоря уже о статистике, чаще употребляют проценты (т. е. деся- тичные дроби), чем простые дроби. *) Единая десятичная система мер и весов была впервые введена только после Французской буржуазной революции 1789 г. У нас, в СССР, метриче- ская система была введена постановлением Совнаркома от 14 января 1918 г. К 1926/27 г. она вытеснила окончательно старую систему. Англия, США и некоторые другие страны до сих пор не ввели у себя обязательной метрической системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ С возникновением десятичных дробей десятичная позиционная система достигла завершения, приобрела необходимую для нумера- ции полноту и в основном стала господствовать в научном и житей- ском обиходе. Наряду с нею сохранились только крайне незначи- тельные пережитки других систем, частью в речи, частью в расчё- тах (шестидесятиричное деление часа и градуса, применение ряда простых дробей: у, у, у и т. д.), иногда при порядковой нуме- рации (с помощью букв алфавита). , Вместе с тем современная нумерация, которая возникла перво- начально лишь для представления целых чисел, с введением деся- тичных дробей распространилась на все действительные числа *). При этом к ней не пришлось добавлять никаких существенно новых принципов; обозначение всех чисел с её иомощью производится вполне единообразно. Десятичная позиционная система, как легко видеть, полностью удовлетворяет всем требованиям, которые можно предъявить к удобной системе нумерации (см. стр. 33 настоящей статьи). Она одинаково удобна для представления и весьма больших и весьма малых чисел, которыми, начиная с эпохи Возрождения, человечеству приходится пользоваться во всё возрастающей мере и особенно в наш век исследований сверхгалактик, с одной стороны, и внутри- • атомного микромира, с другой. Этим требованиям в сколько-нибудь полной мере не удовлетворяла ни одна из предшествующих систем нумерации. Поэтому-то при поступательном движении человечества вперёд все они должны были уступить место десятичной позицион- ной системе, вопреки многовековой традиции и иным препятствиям. Как мы видели, десятичная позиционная система явилась плодом долгого исторического развития. В создании её, растянувшемся на тысячелетия, приняли участие многочисленные народы Востока и Запада. История её происхождения представляет интерес не только в рамках одной дисциплины — математики, но имеет и более общее значение. *) О действительных числах см. стр. 188, И. В. Проскуряков, Поня- тия множества, группы, кольца и поля. Теоретические основы арифметики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73 1. Прежде всего подлинно научная и объективная история нуме- рации опровергает идеалистические учения об априорном характере понятия числа, о его мнимой прирождённое™ человеческому созна- нию. История нумерации показывает, что понятие натурального числа (как и дроби), с его свойствами и законами возникло в ре- зультате отвлечения от определённых и вполне конкретных коли- чественных свойств и отношений предметов реального мира, подобно тому как геометрия «...даёт свои законы, абстрагируясь от конкрет- ных предметов, рассматривая предметы, как тела, лишённые кон- кретности, и определяя отношения между ними не как конкретные отношения таких-то конкретных предметов, а как отношения тел вообще, лишённые всякой конкретности» *). 2. Далее, история нашей нумерации показывает, что развитие систем счисления шло от разнообразия и разнородности к единству и однородности. Чем ниже был хозяйственный и культурный уро- вень общества, тем разнообразнее были употребляемые в нём системы счисления. Первой всеобщей формой нумерации явились системы счисления типа иероглифической, основанные на аддитивном (а иногда и суб- трактивном) принципе. Фазу иероглифической нумерации, соответ- ствующую ещё очень примитивному устному счёту, в более или менее развитой её форме прошли, повидимому, все народы. Хотя принцип её построения в различных странах был один и тот же, но в выборе узловых чисел, каждое из которых служило основа- нием своей особой системы, а также в начертании их наблюдался полный разнобой. Нумерацией нового типа, сменившей иероглифические системы, была алфавитная система счисления, явившаяся важнейшим шагом на пути создания современной универсальной нумерации. Она была хорошо приспособлена к оперированию с не очень большими числами в соответствии с хозяйственным диапазоном античной рабовладель- ческой формации или раннего феодализма. Все алфавитные системы строились на общем им цифирном принципе и были десятичными. Эти два обстоятельства являлись важным шагом на пути создания единой нумерации. Однако то, что каждый народ применял при этом свой собственный алфавит, пре- пятствовало созданию такой единой системы. Наконец, последнюю стадию развития нумерации составляет наша десятичная позиционная система счисления, первая едино- образная система, принятая во всём мире. Единым здесь является не только принцип её построения, но и начертание цифр. 3. Вместе с тем история нумерации служит дополнительной иллюстрацией сталинского положения о развитии через борьбу, *) И. Стал и н, Относительно марксизма в языкознании, Издательство «Правда», 1950, стр. 23.
74 ПРОИСХОЖДЕНИИ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ борьбу нового и передового со старым и консервативным, о не- одолимой и всепобеждающей силе прогрессивных элементов челове- ческого общества и человеческой культуры. Действительно, всякая система нумерации фиксирует уже существующий устный счёт. Счёт этот продолжает развиваться и совершенствоваться вместе с даль- нейшим прогрессом общества. При этом зафиксированная в симво- лах система счисления часто отстаёт от фактически существующих способов счёта. Тогда с неизбежностью появляются новые, более совершенные системы счисления. Мы видели, с каким трудом при- ходилось им всякий раз пробивать себе дорогу. Так, алфавитной системе пришлось преодолевать вековую традицию аттических государств, а десятичной позиционной системе противостояли реак- ционные силы европейского средневековья. 4. Наконец, история происхождения позиционной системы вновь показывает единство законов общественного развития. Подходом к позиционному принципу, как мы видели, служили мультиплика- тивные системы, которые привели к созданию позиционности и введению нуля в Древнем Двуречье, у племени Майя, в позднеан- тичную эпоху и, наконец, в Индии. Создание современной позицион- ной системы не было, таким образом, случайным, а явилось законо- мерным завершением неизбежного исторического процесса. История нумерации во многом сходна с историей языков, о ко- торой И. В Сталин пишет: «Язык порождён не тем или иным базисом, старым или новым базисом, внутри данного общества, а всем ходом истории общества и истории базисов в течение веков. Он создан не одним каким-нибудь классом, а всем обществом, всеми классами общества, усилиями сотен поколений. Он создан для удовлетво- рения нужд не одного какого-либо класса, а всего общества, всех классов общества. Именно поэтому он создан, как единый для общества и общий для всех членов общества общенародный язык. Ввиду этого служебная роль языка, как средства общения людей, состоит не в том, чтобы обслуживать один класс в ущерб другим классам, а в том, чтобы одинаково обслуживать всё общество, все классы общества» ’). История систем счисления показывает, что наша нумерация также была создана всем ходом истории общества и истории базисов в течение веков, усилиями сотен поколений и создана для обслуживания всего общества, всех его классов как система, единая для общества и общая для всех его членов. *) И. Сталин, Относительно марксизма в языкознании, Издательство «Правда», 1950, стр. 5—6.
И. В. ПРОСКУРЯКОВ ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И поля. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АРИФМЕТИКИ

ВВЕДЕНИЕ Понятие числа, возникшее на самых ранних ступенях развития человеческого общества из потребностей счёта, является одним из основных завоеваний человеческой культуры. Число является по- стоянным и незаменимым орудием всей нашей практической деятель- ности. Возможность применять числа для изучения и изменения окружающего нас материального мира обусловлена тем, что сами числа взяты человеком из этого мира, и все свойства чисел явля- ются лишь абстрактным (освобождённым от ряда частных конкрет- ных признаков) выражением реальных отношений материального мира. Так, число пять является лишь отражением в нашем уме ре- ального свойства, общего пяти пальцам руки, цветку о пяти лепе- стках и всем прочим пятёркам материальных предметов независимо от их формы, размера, цвета и других конкретных свойств. Энгельс об этом пишет: «.. .совершенно неверно, будто в чистой математике разум имеет дело только с продуктами собственного творчества и воображения. Понятия числа, и фигуры взяты не от- куда-нибудь, а только из действительного мира. Десять пальцев, на которых люди учились считать, т. е. производить первую ариф- метическую операцию, представляют собой всё, что угодно, только не продукт свободного творчества разума. Чтобы считать, надо иметь не только предметы, подлежащие счёту, но обладать уже способностью отвлекаться при рассматривании этих предметов от всех прочих их свойств, кроме числа, а эта способность есть ре- зультат долгого, опирающегося на опыт, исторического развития» ’). Такова суть математики с точки зрения диалектического мате- риализма. Противоположные взгляды высказываются буржуазными учёны- ми-идеалистами. По их мнению, математика — продукт свободного творчества человеческого духа, а её основные понятия присущи нашему разуму априорно, т. е. до всякого опыта, даны человеку уже при его рождении. Вздорность подобного взгляда на математику доказывается мил- лионы раз и на каждом шагу всей нашей практической деятель- ') Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1948, стр. 36—37.
78 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ ностью, когда применение математики даёт ожидаемые нами резуль- таты. Последнее возможно только потому, что математические истины являются лишь отражением объективных закономерностей природы. Число является основным орудием, при помощи которого мате- матика изучает закономерности реального мира. Современное по- нятие о числе явилось результатом сложного и длительного про- цесса исторического развития. После натуральных чисел появились числа дробные, затем иррациональные и, наконец, отрицательные, комплексные. Настоящая статья лишь в самых общих чертах касается истории развития понятия числа, ставя своей задачей выяснение логической сущности этого понятия в его современном виде. Чи- татель не найдёт здесь большого числа новых для него свойств чисел. Не знакомство с новыми свойствами, а обоснование свойств чисел, известных каждому со школьной скамьи, — главная цель дан- ной статьи. Доказательство даже самых простых свойств чисел, как, напри- мер, переместительного или сочетательного закона сложения, тре- бует точного определения числа и встречает поэтому значительные трудности. Тем не менее нам кажется, что учителю, ежедневно говорящему учащимся об этих свойствах чисел, нужно самому иметь представление о том, как они доказываются. Это весьма полезно с точки зрения развития общей математической культуры и для наиболее одарённых и интересующихся математикой школьников старших классов. По тем же соображениям статью можно рекомен- довать студентам педагогических институтов. Так как построение действительных чисел входит в курс математического анализа, а комплексных чисел — в курс высшей алгебры физико-математиче- ских факультетов университетов, то соответствующие главы статьи можно рекомендовать студентам указанных факультетов. Кроме обоснования свойств чисел, второй целью статьи является введение читателя в круг основных идей и понятий современной математики. К числу таких идей принадлежит представление об изо- морфизме, а к числу понятий — понятия о множестве, группе, кольце и поле. Применение указанных общих понятий позволяет избежать многократного и утомительного повторения одних и тех же рас- суждений при доказательстве аналогичных свойств чисел той или иной природы и позволяет читателю охватить свойства различных числовых областей с общей точки зрения. Конечно, у читателя, не знакомого с этими понятиями, такое изложение вызовет дополни- тельные трудности, так как этому новому взгляду на числа ему придётся действительно учиться. Ознакомление с этими идеями и понятиями современной математики представляет значительную часть того нового, что узнает читатель из настоящей статьи. Изло- жение обоснования понятия числа с точки зрения теории колец и полей может, как нам кажется, заинтересовать также и специалиста.
ВВЕДЕНИЕ 79 В главе первой даны необходимые сведения из теории множеств. В главе второй рассматриваются понятия группы, кольца и поля, причём в общем виде изучаются свойства алгебраических операций, которые затем многократно применяются при изучении чисел той или иной природы. В дальнейших главах последовательно вводятся натуральные, целые, рациональные, действительные и комплексные числа. В последнем параграфе рассматриваются также кватернионы и разбирается вопрос о возможности дальнейшего расширения чис- ловых областей. . Имея в виду логическое обоснование свойств чисел, мы при использовании уже доказанных свойств обычно даём в скобках ссылку на соответствующую теорему из предыдущих глав. Поэтому читателю, желающему проверить правильность обоснования данного свойства, нужно либо читать всю предшествующую часть статьи, либо те части её, которые указаны в этих ссылках. Однако чита- телю, специально интересующемуся обоснованием свойств чисел данной природы и желающему принять свойства предыдущих чи- словых областей как известные, можно после первых двух глав и § 19 главы IV, где вводятся понятия, необходимые для понимания всего дальнейшего, читать сразу интересующую его главу. При таком чтении можно просто не обращать внимания на ссылки в скобках, так как свойства чисел, о которых идёт речь, сами по себе известны каждому школьнику. Так, приняв известными свой- ства рациональных чисел, можно после первых двух глав и § 19 читать сразу главу VI о действительных числах, приняв же извест- ными свойства действительных чисел, можно читать главу VII о комплексных числах.
ГЛАВА I МНОЖЕСТВА § 1. Понятие о множестве Любая область математики изучает те или иные объекты не каждый в отдельности, а в их совокупности. Объекты, обладающие теми или иными общими свойствами, объединяются вместе в одну совокупность и изучаются совместно. Совокупность всех натуральных чисел включается в более ши- рокую совокупность целых чисел. Расширяя уже полученную чис- ловую область, мы приходим, далее, к рациональным, действитель- ным и, наконец, комплексным числам. В алгебре рассматриваются такие совокупности, как многочлены и алгебраические дроби. В геометрии, изучая свойства треугольника, отвлекаются от его поло- жения на плоскости или даже от его размеров, получая тео- ремы, справедливые для всех равных или же всех подобных тре- угольников; в других случаях рассматриваются совокупности то- чек, обладающих тем или иным общим свойством (геометрические места) и т. д. Мы ограничимся здесь лишь начальными сведениями из теории множеств, отсылая читателя, желающего детально с ней ознако- миться, к книгам П. С. Александрова [*] и Н. Н. Лузина [2]. Множество — это совокупность объектов, рассматриваемая как одно целое. Эти слова не следует принимать за определение поня- тия множества, ибо чем слово «совокупность» лучше слова «мно- жество»? Понятие множества принимается за основное, т. е. не сводимое к другим понятиям. Объекты, составляющие данное мно- жество, называются его элементами. Основное отношение между элементом а и содержащим его множеством А обозначается так: а ( А (словами: а есть элемент множества А; или а принадлежит А, или А содержит а). Если а не является элементом множества А, то пишут а (.А (словами: а не входит в А, А не содержит а). Мно- жество можно задать указанием всех его элементов, причём в этом случае употребляются фигурные скобки. Так {а, Ь, г} обозначает множество трёх элементов. Аналогичная запись употребляется и в
МНОЖЕСТВА 81 случае бесконечных множеств, причём невыписанные элементы за- меняются многоточием. Так, множество натуральных чисел обозна- чается {1, 2, 3,...}, а множество чётных чисел {2, 4, 6,...}, при- чём под многоточием в первом случае подразумеваются все нату- ральные числа, а во втором — только чётные. Два множества А и В называются равными, если они состоят из одних и тех же элементов, т. е. если каждый элемент множе- ства А принадлежит В и, обратно, каждый элемент В принадле- жит А. Тогда пишут А —В. Таким образом, множество однозначно определяется его элементами и не зависит от порядка записи этих элементов. Например, множество из трёх элементов а, Ь, с допу- скает шесть видов записи: {а, Ь, с} = {а, с, Ь} — {Ь, а, с} = {Ь, с, а} = {с, а, Ь} = {с, Ь, а}. Из соображений формального удобства вводят ещё так называ- емое «пустое множество-», а именно, «множество», не содержащее ни одного элемента. Мы будем обозначать его символом 0 (совпа- дение с обозначением числа нуль не ведёт к путанице, так как смысл символа каждый раз ясен). Если каждый элемент множества А входит во множество В, то А называется подмножеством В, г В называется надмножеством А. Пишут AczB, В^А (словами: А входит в В или А содер- жится в В, В содержит А). Очевидно, что если Лез В и В<^А, то А = В. Пустое множество по определению считается подмно- жеством любого множества. Если каждый элемент множества А входи г в В, но множество В содержит хотя бы один элемент, не входящий в А, т. е. если А сз в и А^ В, то А называется собственным подмножеством В, а В — собственным надмножеством А. В этом случае пишут А сз В, В^>А. Например, запись А 0 и ЛззэО означает одно и то же, именно, что множество А не пусто. Заметим ещё, что надо различать элемент а и множество {а}, содержащее а в качестве единственного элемента. Такое различие диктуется не только тем, что элемент и множество играют неоди- наковую роль (отношение а (А не симметрично), но и необходи- мостью избежать противоречия. Так, пусть А = {а, Ь} содержит два элемента. Рассмотрим множество {Л}, содержащее своим един- ственным элементом множество Л. Тогда Л содержит два элемента, в то время как {Л} — лишь один элемент, и потому отождествле- ние этих двух множеств невозможно. Поэтому мы не будем при- менять запись асзЛ, сохраняя обозначение а^А. Примеры множеств. Примеров множеств можно привести сколько угодно. Так, можно говорить о множестве всех букв дан- ной книги, причём одна и та же буква на разных страницах или разных строках одной страницы считается за два различных элемента множества, о множестве всех людей земного шара, причём надо сделать предположение, что в рассматриваемый момент времени 6 Энциклопедия, ин, 1.
82 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ никто не рождается и не умирает, о множестве молекул воды в данном стакане и т. д. Всё это — конечные множества. Приведём некоторые примеры бесконечных множеств, кроме упоминавшихся выше множеств нату- ральных чисел, чётных натуральных чисел, рациональных чисел, дей- ствительных чисел и др. Пусть а и Ъ — два действительных числа, причём а<^Ь. Мно- жество всех действительных чисел х, для которых а^х^Ь, назы- вается отрезком с концами а, b и обозначается через [а, й]. Мно- жество (а, Ь) всех х, для которых а<^х<^Ь, называется интер- валом с концами а, Ь. Далее полуинтервалами называются множества [а, Ь) тех х, для которых а^х<^Ь, и (а, Ь] тех х, для которых а<^х^Ь. Введём ещё два символа: -)-оо (плюс бес- конечность), — оо (минус бесконечность). Они не являются числами и вводятся лишь для удобства записи. Тем не менее для более лёгкого обращения с ними условимся говорить, что оо больше, а —оо меньше любого действительного числа. Тогда можно ввести обозначения, аналогичные приведённым выше, для бесконечных по- луинтервалов и интервалов. Именно: [а, -|-оо)— множество чисел х, для которых as^x, (—оо, Ь]— множество чисел х, для которых х Ь, (а, оо) — множество чисел х, для которых а х, (— оо, Ь) — множество чисел х, для которых х<^Ь, (—оо, -|-оо)— множе- ство всех действительных чисел. § 2. Операции над множествами Объединением множеств А и В называется множество элемен- тов, принадлежащих по крайней мере одному из данных множеств (т. е. либо А, либо В, либо одновременно и Л и В). Пишут A (J В и читают «объединение А и В». Пересечением множеств А и В называется множество элементов, принадлежащих одновременно и А и В. Пишут A Q В и читают «пересечение А и В». Разностью множеств А и В называется множество элементов, принадлежащих А и не принадлежащих В. Пишут и читают «разность А и 5» ’). Пример 1. Пусть А есть отрезок [1, 3], В — отрезок [2,4]; тогда объединением В будет отрезок [1, 4], пересечением ЛрВ— отрезок [2, 3], разностью — полуинтервал [1, 2), Н\Л— полуинтервал (3, 4]. Пример 2. Пусть А есть множество прямоугольников, В — множество всех ромбов на плоскости. Тогда AQB есть множество всех квадратов, — множество прямоугольников с неравными сторонами, £>\Л — множество всех ромбов с неравными углами. *) Некоторые авторы применяют обозначения A-f-B, АВ, А — В, но в алгебре ато не удобно из-за смешения с алгебраическими операциями.
МНОЖЕСТВА 83 Операции объединения и пересечения множеств обладают мно- гими свойствами сложения и умножения чисел, например перемести- тельным, сочетательным и распределительным свойствами. 'Понятия объединения и пересечения множеств дословно пере- носятся на случай более двух множеств и даже на случай любого конечного или бесконечного множества множеств. Для удобства речи будем называть системами такие множества, элементами которых служат другие множества. Тогда объединением множеств некоторой системы называется множество, состоящее из элементов, принадлежащих по крайней мере одному множеству данной системы. Пересечением множеств некоторой системы на- зывается множество, состоящее из элементов, входящих во все мно- жества данной системы. Применяются следующие обозначения. В случае конечной систе- мы множеств А,, А2,Ап объединение S и пересечение D обо- значаются: п s=At или ••• и A=|jA. П D=A' п А П ... п A=f]A «=1 В случае бесконечной последовательности множеств At, А2,... ..., Ап,_, т. е. системы, множества которой занумерованы всеми натуральными числами, пишут: СО s=AU A U ••• U Ли ••• = UA’ i==I со Д=А ПАП ••• ПАП ...= f|A i=l Пример 3. Пусть Ап есть множество точек плоскости, лежа- щих в круге радиуса 2" с центром в точке О, причём п прини- мает все целые значения от —оо до -j-00- Тогда объединение 4- со U Ап совпадает со множеством точек всей плоскости, а пересече- л=1 4-СО ние f]A„ содержит лишь одну точку О. п=1 Наконец, в случае произвольной системы множеств Ат, индексы которых составляют некоторое множество М, пишут: J А,. т £ М т t 6*
84 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Пример 4. Пусть X — множество всех положительных чисел х и Ах—множество точек круга радиуса х с центром в точке О. Тогда снова объединение |J Ал. будет множеством всех точек пло- х£Х скости, а пересечение |"| Ал. содержит лишь одну точку О. х£ х § 3. Функция, отображение, мощность Понятие функции играет в математике такую же существенную роль, как понятие множества. Что же такое функция? Часто гово- рят, что функция есть переменная величина, зависящая от другой переменной величины (аргумента). В применении к обычным функ- циям, изучаемым в школе, как y = sinjc, это определение вполне подходит и может применяться в преподавании. Наша задача, одна- ко, состоит в более точном уяснении сущности этого понятия и получении современного его определения. Прежде всего, если взять функцию у = sin2 х-|- cos2 х, то её значение уже не зависит от значения х. Далее, под величи- нами принято понимать такие объекты, которые можно сравнивать между собой, т. е. такие, между которыми существуют отношения больше и меньше. Между тем в математике рассматриваются также и функции, для которых эти отношения не установлены, как, например, в случае комплексных чисел или вообще элементов не- которого множества. Внимательное рассмотрение показывает, что в понятии функции существенно не столько её изменение с измене- нием аргумента, сколько сам закон соответствия, в силу которого по каждому значению аргумента однозначно определяется соответ- ствующее ему значение функции. Так функцию у = sin2 х -ф- cos2 х можно определить, просто сказав, что каждому действительному числу х она ставит в соответствие число 1. Соответствие есть закон, позволяющий для каждого элемента х некоторого множе- ства X однозначно указать некоторый объект (соответствующий данному элементу). Эти слова лишь поясняют понятие соответствия, но не должны пониматься как его определение. Понятие соответ- ствия, как и понятие множества, принимается за основное, не под- лежащее определению. Тогда наиболее общее определение функции будет такое: Определение 1. Функцией, заданной (или определённой) на некотором множестве X, называется соответствие, в силу
МНОЖЕСТВА 85 которого любой элемент х множества X определяет некоторый (соответствующий ему) объект f(x). Множество X называется областью определения функции, а множество Y — объектов, соответствующих всем элементам множе- ства X, — областью значений функции. Пример 1. Пусть _y=sinx. За область определения функции можно принять множество действительных чисел. Тогда областью значений функции будет отрезок [— 1, - 1]. Пример 2. Пусть у = tgx. За область определения функции можно принять множество действительных чисел, отличных от чисел вида nit -]-•g , где п пробегает все целые значения (ибо для этих значений х функция не определена). Тогда областью значений функции будет множество всех действительных чисел. Пример 3. Функция Дирихле: __ f 0 при х рациональном, (1 » х иррациональном. Область определения здесь — множество действительных чисел, область значений — множество {0, 1} из двух элементов. Замечательно, что гениальный русский математик Н. И. Лоба- чевский более ста лет назад дал определение функции, весьма близкое к приведённому. В противовес господствовавшему тогда взгляду на функцию как на аналитическое выражение (т. е. как на формулу) он подчёркивал значение идеи соответствия в определе- нии понятия функции. «Это общее понятие, — писал Лобачевский о понятии функции,— требует, чтобы функцией от х называть число, которое даётся для каждого х и вместе с х постепенно изменяется. Значение функции может быть дано или аналитическим выражением или условием, кото- рое подаёт средство испытать все числа и выбирать одно из них, или, наконец, зависимость может существовать и оставаться неиз- вестной» ’). Весьма близким к понятию функции является понятие отобра- жения. Определение 2. Пусть даны два множества X и Y. Такое соответствие, при котором каждому элементу х (X соответ- ствует (единственный) элемент у( Y, называется отображением множества X в множество Y; в частности, если каждый элемент y(Y соответствует по крайней мере одному элементу х(Х, то такое соответствие называется отображением X на Y. *) Н. И. Л о б а ч е в с к и й, Об исчезании тригонометрических строк. Учёные записки Казанского университета, кн. II, 1834.
86 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Если элементу х соответствует у, то у называется образом элемента х, а х—прообразом элемента у. Пишут: х—>_у или _у = =f(x). Множество А всех элементов х£ X, имеющих один и тот же образ у£ У, называется полным прообразом элемента у. Пример 4. Пусть D — множество действительных чисел. Со- ответствие х—>-|х| будет отображением множества D в себя же и отображением D на множество неотрицательных чисел. Прообразом числа 0 будет один 0, число _у^>0 имеет два прообраза: -j-j и —у. Пример 5. Поставим в соответствие каждой точке квадрата её проекцию на основание. Получим отображение квадрата на отрезок. Полным прообразом каждой точки основания будет мно- жество всех точек квадрата, лежащих на перпендикуляре к осно- ванию, восставленном в данной его точке. Примеры 4 и 5 показывают, что при отображении множества X в У, с одной стороны, некоторые элементы из У могут вовсе не иметь прообразов, а, с другой стороны, могут быть элементы, име- ющие несколько (даже бесконечно много) прообразов. Если нет ни того, ни другого, то отображение называется взаимно однозначным. Таким образом, мы приходим к следующему определению: Определение 3. Взаимно однозначным соответствием между множествами X и У (или отображением X на К) назы- вается соответствие (соответственно, отображение), обладающее следующими тремя свойствами:}.) каждому элементу множества X соответствует один и только один элемент множества У; 2) двум различным элементам множества X всегда соответ- ствуют два различных элемента множества У; 3) всякий элемент множества У соответствует хотя бы одному элементу множе- ства X. Заметим, что первые два свойства дают взаимно однозначные отображения X на некоторое подмножество У. В этом случае го- ворят о взаимно однозначном отображении X в У. Если y—f(x) есть взаимно однозначное отображение X на У, то каждому у£ У можно поставить в соответствие тот единственный элемент хсХ, образом которого при отображении / является у. Эго соответствие называется обратным отображением для отображе- ния / и обозначается через /-1. В качестве упражнения предлагается доказать, что f1 есть также взаимно однозначное отображение У на X и что обратным для отображения /-1 будет исходное ото- бражение /. Определение 4. Два множества X и У, между которыми можно установить взаимно однозначное соответствие, называются равномощными (или эквивалентными), что обозначается сим- волом Х^У. О равномощных множествах говорят также, что они имеют оди- наковую мощность. Условимся считать, что пустое множество равно- мощно только самому себе.
МНОЖЕСТВА 87 Замечание. Выше мы дали определение понятия равномощ- ности, но не понятие мощности. Можно сказать, что мощность есть то общее, что имеется у всех равномощных между собой множеств. Впрочем, всюду достаточно понятие равномощности. Соотношение равномощности обладает следующими тремя основ- ными свойствами: 1) рефлексивность: Х^Х; 2) симметрия: если Х~У, то Y^X; 3) транзитивность: если Х^У и У Z, то X'"-‘Z. Для доказательства, например, первого из них достаточно каж- дому элемент х£Х поставить в соответствие его же самого (то- ждественное отображение), что уже даёт взаимно однозначное ото- бражение множества X на себя. Доказательство остальных двух свойств предоставляется читателю. Мощность множества характеризует, так сказать, «количество» его элементов. Однако при этом может оказаться, что «часть равна целому», т. е. множество может иметь одинаковую мощность с его собственным подмножеством. Пример 6. Функция у — 10х, где х — действительное число, устанавливает равномощность отрезка [0, 1] и в 10 раз более длин- ного отрезка [0, 10]. Таким образом, в смысле мощности «коли- чество» точек обоих отрезков одинаково. Пример 7. Два любых отрезка [а, &] и [с, d], а также два любых интервала (а, Ь) и (с, d) равномощны. Для доказательства достаточно рассмотреть функцию , d — с , . Во-первых, каждому действительному числу х однозначно соот- ветствует у, причём легко видеть, что а—>с и b -+d. Далее, пусть хх^уъ х<,->у^ и xl<^xi. Согласно определению отрезка и интервала (см. стр. 82) а<^Ь и c<^d. Следовательно, Поэтому yt<^у2. Итак, если a^xs^fi (пли а<^х<^Ь), то и c^y^d (соответственно, c<^y<^d). Значит, точкам отрезка [а, Ь] соответствуют точки отрезка [с, d\, причём различные точки переходят в различные же (и то же верно в случае интервалов). Наконец, обратное отобра- жение , Ъ — а , х С(-У — О обладает теми же свойствами, откуда следует, что для каждого у из [с, Д| найдётся од :н (и даже только один) прообраз х из [а, Ь]
88 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ (то же для интервалов). Этим доказано, что [а, ~ [с, d] (соот- ветственно, (a, b)^(c, d)). Пример 8. Функция у = tg х устанавливает эквивалентность интервала множеству всех действительных чисел. Пример 9. Считая соответствующими друг другу числа, стоя- щие одно под другим в следующих строках: 1, 2, 3,. . п 2, 4, 6,. . ., 2п ,. . ., 1, 3, 5,. . ., 2л—1,. . . , 10, 100, 1000.... 10" ,. . . , 2, 3, 5, . . . , рп . (рп—п-е — простое число), мы заключаем, что множества всех натуральных чисел, чётных чи- сел, нечётных чисел, степеней 10, простых чисел все имеют одну и ту же мощность, хотя первая из них является собственным над- множеством остальных. Пример 10. Множество натуральных чисел равномощно мно- жеству рациональных чисел. В самом деле, любое рациональное число, отличное от нуля, однозначно записывается в виде несокра- тимой дроби —, где принято #^>0 (т. е. знак отнесён к числителю). ,, ... „00 , Из возможных записей для нуля: 0=-р = у= ... выберем 0 „ р одну.’у. тогда запись вида -- однозначно определена для всех рациональных чисел (в частности, при q= 1 получатся все целые числа). Высотой числа ~ назовём натуральное число | р | q, где | р | — — абсолютная величина р. Тогда все рациональные числа можно расположить в одну последовательность, располагая их в порядке возрастания высоты, а числа с 'одинаковой высотой — в порядке возрастания числителя. Таким образом, получим последовательность 0, -1, +1, —2, -1.+4.+2. '3. - j.+4 + З. — 4, — 3 2 ’ 3 ’ Так как чисел данной высоты п — лишь конечное число [имен- но, не более 2(я—1), ибо числитель меняется от —(п—1) до —|—(я—1), исключая значение 0], то перед каждым данным числом в последовательности стоит лишь конечное число чисел. Поэтому, нумеруя числа последовательно по порядку натуральными числами, мы действительно занумеруем все рациональные числа, что и дока- зывает требуемую равномощность.
МНОЖЕСТВ! 89 § 4. Конечные и бесконечные множества Все указанные в предыдущем параграфе множества, равномощ- ные собственным подмножествам, были бесконечны. Мы сейчас уви- дим, что это не случайно (см. ниже теорему 1). Однако сначала необходимо дать строгое определение понятия конечного и беско- нечного множества. При этом нам придётся существенно использо- вать свойство натуральных чисел, строгое обоснование которых будет дано лишь в главе III. Читателю нужно убедиться, что в наших рассуждениях нет порочного круга. Для этого достаточно проверить, что при обосновании в главе III свойств натуральных чисел, применяемых в первых двух главах, мы нигде не пользуемся полученными в этих главах результатами. Определение 1. Множество натуральных чисел, меньших или равных некоторому натуральному числу п, называется от- резком натурального ряда и обозначается через 11, п |. Определение 2. Множество, равномощное отрезку нату- рального ряда, а также пустое множество, называется конечным. Множество, не являющееся конечным, называется бесконечным. Иными словами, конечное множество (если оно не пусто) есть такое множество, элементы которого можно «пересчитать», т. е. перенумеровать так: av ..., ап, причём все элементы будут за- нумерованы, все числа от 1 до я будут использованы и различные элементы получат различные номера. Бесконечное же множество такое, элементы которого так «пересчитать» нельзя. Из свойств 2) и 3) равномощности, приведённых в предыдущем параграфе, следует, очевидно, что множество, равномощное конеч- ному (или бесконечному) множеству, само будет конечным (соот- ветственно, бесконечным). Теорема 1. (Основная теорема о конечных мно- жествах.) Конечное множество не равномощно никакому его собственному подмножеству и собственному надмножеству. Доказательство. Каждое из двух утверждений теоремы (о неравномощности подмножеству и надмножеству) легко следует из другого, так как, если А ~ В и А =э В, то из конечности одного из множеств А и В, как было отмечено выше, следует конечность другого. Докажем, например, что конечное множество А не равно- мощно его собственному подмножеству. Для пустого множества Д = 0 теорема верна, так как пустое множество вовсе не имеет собственных подмножеств. Пусть А 0. Тогда по определению ко- нечного множества множество Л равномощно (по крайней мере одному) отрезку натурального ряда 11, п\. Докажем индукцией по числу пJ), что А нельзя взаимно однозначно отобразить на его соб- *) Заметим, что нельзя вести индукцию по числу элементов множества А, так как понятие о числе элементов вводится ниже с применением теоремы 1.
90 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ ственное подмножество В. Для п — 1 это очевидно, так как А ~ । 1, 1| и содержит лишь один элемент. Единственным его соб- ственным подмножеством будет В = 0, причём А не равномощно В. Предположим, что теорема доказана для натурального числа я, и докажем её для числа л —|— 1. Итак, пусть А ~| 1, п-\- 1 ', и/ есть взаимно однозначное отображение А на В. Занумеровав эте- менты А соответствующими им числами, получим: Д = а2,..., ап+1}. Для В — 0 утверждение справедливо. Если В^ЬО, то без огра- ничения общности можно предположить, что а„+1 С В. Иначе берём элемент Ь(^В и строим новое множество Bt, полученное из В за- меной элемента b на ап+1, и новое отображение ft, которое совпа- дает с f для всех элементов множества А, кроме элементов а со свойством f(a) = b, причём для этого элемента а полагаем — = ап+1. Тогда будет взаимно однозначным отображением А на собственное подмножество Вг, содержащее ап+1. Далее, без огра- ничения общности можно считать, что f(an+t) — an+I. Иначе пусть f(a-) = an+t и /(а„+1) = Пу. Тогда строим новое отображение совпадающее с f для всех элементов А, кроме и ап+], причём полагаем (а;) — а,- и Л (а„+1) = ап Р Итак, пусть ая+1 £ В и f (ап+1) = = а„+1, пусть также A' = A\{n„+J} и Д'=5\{ап+1}. Так как В — собственное подмножество А, то существует элемент а'(А\В. Так как an+1 f В, то а'7^ п„+]. Поэтому а'£А'\В'. Значит, В' есть собственное подмножество А'. Так как/(an+J) = an+I, то отображе- ние f устанавливает равномощность множеств А' и В', но А' = = {«!, а»,..., п ,. Мы получили противоречие с предпо- ложением индукции, чем наше утверждение, а значит, и вся тео- рема доказаны. Из теоремы 1 легко следует Теорема 2. Всякое непустое конечное множество равномощно одному и только одному отрезку натурального ряда. Доказательство. По определению 2 непустое конечное множество А равномощно по крайней мере одному отрезку натураль- ного ряда. Если бы оно было равномощно двум различным отрез- кам 1, т\, А~| 1, п |, т п, то по свойствам равномощности будет: 11, т | ~ 11, п\, что противоречит теореме 1, так как один из двух различных отрезков натурального ряда является собствен- ным подмножеством другого. Определение 3. Однозначно определённое для данного не- пустого конечного множества А натуральное число п такое, что А~|1, п |, называется числом элементов множества А. Числом элементов пустого множества называется число 0. Из свойств равномощности следует, что два конечных множества тогда и только тогда равномощны, когда они имеют одно и то же
МНОЖЕСТВА 91 число элементов Поэтому число элементов можно принять за опре- деление мощности конечного множества. Теорема 3. Любое подмножество конечного множества само конечно. Любое надмножество бесконечного множества само бес- конечно. Доказательство. Каждое из двух утверждений теоремы следует из другого. Так, если первое утверждение верно, то верно и второе, так как если Л бесконечно и А сд В, то и В бесконечно, ибо если бы В было конечно, то по первой половине теоремы и А было бы конечно. До- статочно поэтому доказать первое утверждение. Итак, пусть А конечно и В cz А. Если А — 0, то и В = 0, теорема справедлива. Пусть А id 0. Тогда А^ 11, л| для некоторого натурального числа п. Применим индукцию относительно п. При п—1 теорема верна, так как А содержит один элемент, и либо В — 0, либо В = А. Пусть утвер- ждение верно для некоторого п. Докажем его для числа л-|-1. Итак, пусть /— взаимно однозначное отображение А на отрезок 11, п-\- 11. Если В —А, то В конечно. Пусть В а А. Существует элемент а£ А\В. Можно считать, что f(a) — n-\-l. Иначе У (cz') =/г —1, где а'£А, а' У а. Если тогда f(a) = l, то строим новое отображение /ь полагая /1(а) = л4-1, /1(а') = / и j\=f для остальных элементов множества А. Итак, пусть f(a) = n-\- 1. Положим И'= Л \ { а }. Тогда /определяет взаимно однозначное отображение множества А' на отрезок 11, л „ и Вед Л'. Следова- тельно, по предположению индукции В конечно. Теорема доказана. Согласно теореме 3 понятие о числе элементов имеет смысл для любого подмножества данного конечного множества. При этом имеет место Теорема 4. Ч пело элементов конечного множества А всегда больше числа элементов его собственного подмножества В. Доказательство. Пусть т — число элементов Лил — число элементов В. Предположим, что п -^т. Так как Лю В, то 4/0, л^>0 и Л~|1, т. Также и л^/л^>0, следовательно, В~| 1, л|. (1) При взаимно однозначном отображении А на отрезок 11, т\ мно- жество В отображается также взаимно однозначно на некоторое собственное подмножество В' отрезка 11, т\, таким образом, В~В'. (2) Из В' cz 1, т i и т л следует: (3) Но из (1) и (2) вытекает В’~| 1, п\, что в силу (3) противо- речит теореме 1, ибо отрезок 11, л| оказывается равномощным своему собственному подмножеству В'.
92 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ До сих пор мы ещё не доказали бесконечности какого-либо множества. Но из теоремы 1 следует Теорема 5. Множество N всех натуральных чисел, а также любое множество, содержащее подмножество, равномощное N, бесконечны. Доказательство. Множество N бесконечно, ибо отображе- ние f(n) — n-\M для любого натурального числа п отображает взаимно однозначно 7V={ 1, 2, 3, ...} на его собственное под- множество TVj = { 2, 3, 4, ... }. Значит, любое множество N', равно- мощное N, бесконечно, а по теореме 3 и любое множество, содержащее подмножество N\ равномощное N, также беско- нечно. Пример ы. Множества действительных или комплексных чисел содержат множество N натуральных чисел и, следовательно, бес- конечны. Отрезок [0, 1] также ест« бесконечное множество, так как он содержит множество N' чисел вида — (и=1, 2, 3, ... ), равномощное N. Определение 4. Множество, равномощное множеству на- туральных чисел, называется счётным. Иными словами, счётное множество — это такое множество, элементы которого можно «перенумеровать» при помощи натураль- ных чисел так, чтобы при этом все числа были использованы и раз- личные элементы всегда имели бы различные номера. Таким обра- зом, счётное множество А всегда можно записать в виде Л={ а„ а2, ... , ап, ... }. Как показывают примеры в конце предыдущего параграфа, множества чётных или нечётных чисел, а также множество рацио- нальных чисел счётныл Определение 5. Множество, не являющееся конечным, или счётным, называется несчётным. Следующий пример показывает, что такие множества действи- тельно существуют *). Множество всех действительных чисел несчётно. Заметим сначала, что из примеров 2 и 3 предыдущего параграфа следует равномощ- ность этого множества интервалу (0, 1). Достаточно поэтому дока- зать несчётность последнего. Мы будем считать известным, что каждое число интервала (0, 1) записывается в виде конечной или бесконечной десятичной дроби вида О, Qj а2 а3 ... *) Существует даже бесконечно много различных мощностей, на чём мы останавливаться не будем, отсылая желающих к уже упомянутым выше книгам [*], стр. 40 или [®].
МНОЖЕСТВА 93 При этом хотя бы одна из цифр а,- отлична от нуля (ибо число 0=0,000... не принадлежит, интервалу). Далее, для чисел, имею- щих запись в виде конечной десятичной дроби, существует и другая запись, где все цифры ait начиная с некоторого места, равны 9. Например, 0,53000 ... = 0,52999 ... Остальные числа' (т. е. иррациональные и те рациональные, которые разлагаются в периодическую дробь с периодом, не равным 9) имеют единственную запись *). Из двух возможных записей для первых чисел мы выберем какую-нибудь одну, например, в виде конечной десятичной дроби. Тогда все числа интервала (0, 1) будут единственным образом записываться в виде 0, л3 ... , где не все а, равны 0 и никогда все цифры, начиная с некоторой, не могут равняться 9. Обратно, всякая такая десятичная дробь даёт число интервала (0, 1). Легко видеть, что интервал (0, 1) есть бесконечное множество, ибо он содержит множество равномощное множеству натуральных чисел (см. теорему 5). Пока- жем, что (0, 1) не является счётным множеством. Предположим обратное. Тогда все числа интервала можно за- нумеровать так: (0, 1) = {Ci, с2, с3, ... }• Запишем каждое число десятичной дробью указанного вида: ci = 0, <zn а13, ... С2--0, 6Z23 ... , с3 = 0, а31 а32 а33 ... , '— 0, ЯЛ1 ЯЛ2 ялз • • • > Построим теперь число С 0, Ь2 ^2 ^3 ... следующим образом: берём цифру Ь1г отличную от ап, 0 и 9; бе- рём Ь2, отличную от а22, 0 и 9; Ь3, отличную от а33, 0 и 9; Ьп, от- личную от апп, 0 и 9, ... Наличие десяти цифр оставляет для такого *) См. стр. 253, А. Я. X и н ч и и, Элементы теории чисел.
94 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЫ1Л и ПОЛЯ выбора достаточно возможности (именно, каждый раз в нашем рас- поряжении остаётся ещё семь цифр). Дробь 0, blb2bi ... обладает нужными свойствами и даже в усиленной форме — она вовсе не имеет цифр 0 и 9. Значит, число с принадлежит интервалу (0, 1). Но запись с отлична от записей всех чисел (4). В самом деле, запись с отличается от с,, ибо 6Zlf, от с2, ибо Ь2 ф а22 и т. д. Но дробью нашего типа числа интервала записываются однозначно. Значит, С С], с с2, С Сд, ... , с сп1 .. . Оказалось, что число с не входит во множество чисел (4), тогда как мы предположили, что в (4) перенумерованы все числа интервала. Полученное противоречие доказывает наше утверждение. Среди всех бесконечных множеств счётные множества являются наименьшими в следующем смысле: Теорема 6. Всякое бесконечное множество содержит счёт- ное подмножество. Доказательство. Пусть М—бесконечное множество. Тогда М ф 0. Выберем какой-нибудь из его элементов и обозначим его через Cj. Пусть в М уме выбраны п различных между собою эле- ментов а1г а2г... , а„. Так как М бесконечно, то М \ { «1, а2, ... , ап } # 0 и можно выбрать элемент an+i С7И\{ар а2, ... , ап}. Он отличен от всех ранее выбранных элементов. По принципу индукции доказано, что для любого п существует в М подмножество Ап = {а1, а2, ... , ап } из п элементов, причём множество Ап+1 по- лучается из Ап присоединением одного нового элемента ап+1. Очевидно, что объединение СО Д== (J An—{alt а2, ... , ап, ...} 71=1 является счётным "подмножеством 714. Теперь легко доказать, что свойство конечного множества не иметь равномощного ему собственного подмножества (см. теорему 1) для бесконечных множеств никогда не выполняется. Именно имеет место Теорема 7. Всякое бесконечное множество М равномощно некоторому собственному подмножеству. Доказательство. По теореме 6 множество М содержит счётное подмножество' А = {аь а2, ... , ап, ..
МНОЖЕСТВА 95 Пусть 7И\Д = В, В^О. Определим отображение / множества М в себя следующим образом: /(а„) = ая+1 (л=1, 2, ... ), f(b) — b для любого b £ В. Очевидно, что / является взаимно однозначным отображением множества М на его собственное подмножество yW\{ai}, что и доказывает теорему. Дадим теперь другое определение понятий конечного и беско- нечного множеств. Определение 2'. Множество, не имеющее равномощного с ним собственного подмножества, а также пустое множество, называется конечным. Множество, не являющееся конечным, называется бесконечным. Из теоре.м 1 и 7 следует эквивалентность определения 2' преж- нему определению 2. В самом деле, если множество конечно в смысле определения 2, то по теореме 1 оно конечно и в смысле опреде- ления 2'. Обратно, если множество конечно в смысле определения 2', то оно должно быть конечно и в смысле определения 2, так как иначе оно было бы бесконечно в смысле определения 2 и по тео- реме 7 бесконечно также в смысле определения 2', что невозможно. Итак, оба определения конечных множеств эквивалентны. Отсюда (посредством рассуждения от противного) сразу вытекает эквива- лентность определений бесконечных множеств. Отметим, что определение 2' имеет то (правда, лишь формальное) преимущество перед определением 2, что оно формулировано в терми- нах общей теории множеств, тогда как определение 2 предполагает известными свойства натурального ряда. § 5. Упорядоченные множества До сих пор мы изучали лишь такие свойства множеств, кото- рые были связаны с основным отношением, существующим между множеством и его элементами. Мы не рассматривали никаких со- отношений между элементами одного и того же множества; все они были для нас совершенно равноправны. Однако в математике такие, так сказать, «чистые» множества встречаются редко. Обычно изучаются множества, между элементами которых существуют те или иные отношения, та или иная зависимость. Так, в геометрии две прямые в одной плоскости могут пересекаться или быть парал- лельными. Между тремя точками прямой существует отношение, выражаемое словами «одна из трёх точек лежит между двумя дру- гими». В арифметике между числами существуют отношения а - b = с или ab = c и др. Одним из важнейших отношений, существующих между числами, является отношение порядка. Числа той или иной совокупности естественным образом располагаются в определённом
96 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ порядке, именно, в возрастающем порядке. Так, для множества на- туральных чисел таким естественным порядком будет расположение 1, 2, 3, ... В настоящем параграфе рассматривается понятие порядка в самом общем виде, т. е. для любых множеств. Определение 1. Множество М называется упорядоченным, если между его элементами установлено некоторое отношение а<^Ь1) (читают: «а предшествует Ь»), обладающее следующими свойствами: 1) между любыми двумя элементами а и b существует одно и только одно из трёх соотношений: а = Ь, а<^Ь, Ь<^а; 2) для любых трёх элементов а, b и с из а<^Ь, Ь<^с сле- дует а<^с. Пустое множество считается упорядоченным. Замечание. Знак = мы всегда понимаем в смысле тождества, совпадения элементов. Запись а=^Ь просто означает, что буквами а и b обозначен один и тот же элемент множества М. Поэтому из свойства 1) следует, что между двумя различными элементами выполняется одно и только одно из двух соотношений а<^Ь или Ь<^а. Если а предшествует Ъ, то говорят, что b следует за а и пишут: Ь^>а. Отношение а b обладает, как легко проверить, свойствами, аналогичными 1) и 2). Его можно принять за основное, определив тогда через него отношение а<^Ь (см. ниже § 9). Если в упорядоченном множестве М поменять ролями отноше- ния и ^>, т. е. вместо а<^Ь писать а^>Ь, и наоборот, то полу- чится новое упорядоченное множество М‘, порядок которого назы- вается обратным относительно порядка М. Например, для приве- дённого выше порядка во множестве натуральных чисел обратным будет порядок: ... , 3, 2, 1. Два упорядоченные множества, составленные из одних и тех же элементов, но расположенные в разном порядке, считаются различ- ными. Поэтому при задании упорядоченного множества через его элементы необходимо указать их порядок. Мы будем считать, что запись слева направо соответствует порядку элементов, и сохраним прежнее обозначение фигурными скобками. Одно и то же множество можно упорядочить различным образом (если оно содержит не менее двух элементов). Так, множество натуральных чисел можно упоря- дочить обычным образом или в обратном порядке, можно нечётные числа поставить впереди чётных или наоборот, располагая те и дру- *) Не следует смешивать смысла этой записи с неравенствами чисел.
МНОЖЕСТВА 97 гие в возрастающем или убывающем порядке. Получим упорядо- ченные множества , п> 2, 3, .. • ь (1) {... . , 3, 2, ч. (2) {1. 3, 5, .. . , 2, 4, 6, ... }, (3) U 3, 5, .. • , 6, 4, 2}, (4) {.. . , 5, 3, 1, 2, 4, 6, ...}, (5) . , 5, 3, 1, ... , 6, 4, 2}. (6) Элемент, не имеющий предшествующего, называется первым, а элемент, не имеющий следующего,—последним. Элементы а и b называются соседними, если не существует с, для которого а<^с<^Ь или Ь<^с<^а. Если а и b — соседние и а<^Ь, то говорят, что а непосредственно предшествует b, а Ь непосредственно следует за а. Упорядоченное множество (1) имеет первый элемент и не имеет последнего, множество (2), наоборот, имеет последний элемент, но не имеет первого, множество (4) имеет как первый элемент, так и последний, а множество (5) — ни первого элемента, ни послед- него, множество (3) содержит два элемента, не имеющих непосред- ственно предшествующего, множество (6) —два элемента, не имеющих непосредственно следующего. Во всех этих множествах каждый элемент имеет соседний. Множество рациональных чисел, располо- женных по возрастанию, не имеет соседних элементов, так как между любыми числами а и b лежит число —. Если а = Ь или а<^Ь, то пишут: если а — b или а^>Ь, то пишут: а^Ь. Из определения 1 легко вытекает справедливость следующих двух теорем: Теорема 1. Если а^Ь и Ь^а, то а=Ь. Теорема 2. Если a^b wb^c, то а^с. Еслиа'^ЬиЬ^с, то а^с. При этом, если хотя бы в одном из данных неравенств имеется строгое неравенство, то и в полученном неравенстве будет строгое неравенство. Определение 2. Два упорядоченных множества А и В на- зываются подобными, если между ними можно установить взаимно однозначное соответствие, сохраняющее порядок элементов, т. е. такое, что из at —>- а,г —и а^ а^ следует ЬЛ<^Ь2. Из определения 2 следует, что все множества, содержащие лишь один элемент, подобны и пустое множество подобно лишь самому себе. О подобных множествах говорят, что они имеют один И тот же тип. Отношение подобия обозначается так: А^В. 7 Энциклопедия, кд. 1.
98 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Читателю предоставляется доказать, что отношение подобия обладает следующими тремя свойствами: I. Рефлексивность: А А. II. Симметрия: если А В, то В «а А. III. Транзитивность: если А «а В и В С, то А С. Сравнивая определение подобия с определением равномощности (§ 3, определение 4), мы убеждаемся, что первое включает второе, т. е верна следующая Теорема 3. Подобные множества равномощны\ из АнаВ следует А<~^ В. Обратное утверждение не верно. Так, множества (1) и (2) равно- мощны (даже просто равны как неупорядоченные множества), но не подобны, так как множество (1) имеет первый элемент, а мно- жество (2) — не имеет, тогда как при соответствии подобия первому элементу одного множества должен соответствовать первый элемент другого. Тем не менее для конечных множеств теорема, обратная теореме 3, также верна. А именно: Теорема 4. Если конечные, упорядоченные множества равно- мощны, то они подобны. Эта теорема ввиду свойств I — III подобия является непосред- ственным следствием приведённой ниже теоремы 7. Для любых множеств в известной мере обратной теореме 3 является следующая теорема: Теорема 5. Любое множество А, равномощное упорядочен- ному множеству В, само можно упорядочить, т. е. определить для его элементов отношение порядка, обладающее свойствами I и И *), и притом так, что полученное упорядоченное множество подобно В. Доказательство. Если а{ и а2— любые элементы мно- жества A, bt и Ь2 — соответствующие им, при взаимно однозначном отображении А на В, элементы В, и #i<^£2, то положим а1<^а2. Легко проверить, что определённое так отношение порядка в А обладает свойствами I и II и, очевидно, А подобно В. Теорема 6. Любое конечное упорядоченное множество А содержит первый и последний элемент (если только А непусто). Доказательство. Пусть А не имеет последнего элемента. Берём любой элемент £ А. Так как он не последний, то существует а2 С А такой, что а1<^а2; так как а2 — не последний, то существует а3 ( А такой, что а3. Если элемент ап построен, то существует an+i £ А такой, что ап а^. По индукции элемент ап построен для любого п. Пусть N’ = { alt а3, а3, ...} *) Справедлива даже теорема, что любое множество можно, как говорят, вполне упорядочить (см. [*], стр. 99), но её доказательство выходит за рамки нашей стали.
МНОЖЕСТВА 99 __множество всех построенных элементов. Очевидно, что из I k сле- дует по свойству 11 ai<^ak, откуда по свойству I аг а*. Значит, N' равномощно множеству натуральных чисел. Поэтому множество А бесконечно (§ 4, теорема 5), что невозможно. Существование первого элемента доказывается аналогично. Теорема 7. Любое конечное множество можно упорядочить. Все конечные упорядоченные множества с одним и тем же числом элементов л^>0 подобны отрезку 1, п\ натурального ряда и, зна- чит, подобны между собой. Доказательство. Пустое множество упорядочено по опре- делению. Если А^О-—конечное множество, то Д~|1,л|. Отре- зок [ 1, л|, очевидно, есть упорядоченное множество. По теореме 5 множество А можно упорядочить. Пусть теперь А—любое конеч- ное упорядоченное множество с числом элементов л^>0. По тео- реме 6 множество А содержит первый элемент at. Если л^>1, то множество At = Д \ { at } О и снова содержит первый элемент а2, причём а,<^а2 Пусть уже построен элемент а(-. Если 1<^п, то Аг — А \ {а2, ... , at} О и по теореме 6 оно содержит первый элемент ам, причём at<^aM. Так мы построим элементы а( для всех 1^п. Множество Дл = {а1, а2, ... , а„}~| 1, п\~А. Множество А не равномощно собственному подмножеству (§ 4, тео- рема 1). Значит, A = An = {at, as, ... , ап]. Очевидно, что из l<^k следует ai<^ak, т. е. А подобно от- резку |1, п |. Из этой теоремы следует, что все п\ возможных перестановок множества с п элементами имеют один и гот же тип. 7*
ГЛАВА II ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ § 6. Группа Арифметика и алгебра имеют дело с объектами различной при- роды: целыми, рациональными, действительными или комплексными числами, многочленами, алгебраическими дробями и т. д. При этом в первую очередь рассматриваются свойства основных четырёх действий: сложения, вычитания, умножения и деления. Свойства этих действий для различных объектов во многом оказы- ваются одними и теми же. Вот почему вполне естественным и весьма целесообразным является построение в современной ал- гебре самых общих образований, обладающих интересующими пас свойствами. В таком абстрактном виде легче выяснить значение и взаимоза- висимость данных свойств, так как в конкретной области чисел, многочленов и т. д. дело осложняется наличием ряда других свойств помимо тех, которые мы желаем изучать. В последующих главах будут изучаться основные числовые об- X <"’””ласти. Чтобы лучше уяснить значение различных их свойств и одно- временно избежать многократного повторения одних и тех же рас- суждений в применении к каждой из этих областей, мы рассмотрим в настоящей главе основные понятия абстрактной алгебры. Чита- '-"’гелю, желающему глубже изучить эти вопросы, рекомендуем статью Л. Я. Окунева *) и книги Л. Я. Окунева [3] и Б. Л. Ван-дер Вардена [4]. С точки зрения теории множеств любое из четырёх основных действий есть некоторое отношение между тройками элементов данного множества (см. начало § 5). Эти отношения отличаются, однако, от других (как, скажем, от отношения порядка, рассмотрен- ного в § 5) тем, что во всех четырёх случаях по двум элементам находится третий (результат данного действия), дающий с двумя данными тройку элементов, находящихся в данном отношении. От- ношения такого типа получили особое название, а именно: *) Э. э. м., ки. 2., Л. Я. Окуне в, Кольцо многочленов и ноле рацио- нальных функций.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 101 Определение 1. Соответствие, в силу которого каждой паре а, b элементов множества М, взятых в данном порядке, соответствует единственный третий элемент с того же мно- жества М, называется алгебраической операцией, определён- ной в М. Используя понятие функции (§ 3, определение 1), можно сказать короче, что алгебраическая операция, определённая во множестве М, есть функция, определённая на множестве всех упорядоченных пар элементов М, значения которой принадлежат М. Примерами алгебраических операций могут служить четыре арифметических действия: сложение а-\-Ь = с, вычитание а—-Ь — с, умножение а-Ь = с, деление а:Ь = с, рассматриваемые хотя бы на множестве всех действительных чисел, причём в случае деления нужно исключить число 0, деление на которое не определено. Дальнейшими примерами являются сложение, вычитание, умножение и деление комплексных чисел, сложение векторов по правилу парал- лелограмма, сложение, вычитание и умножение многочленов и т. д. Как известно, две или более алгебраических операций могут быть связаны между собою 'переменой роли данных и искомых элементов. Так, если а~\-Ь = с, то с — а = Ь; если аб — с, то а = 4-. 1 о Эта связь операций выражает понятие обратной операции, которое в общем виде определяется так: Пусть дана операция, ставящая в соответствие паре элементов а, b из М элемент с. Те две операции, которые получатся из данной путём перемены в ней роли одного из элементов а, b и элемента с (одного из данных элементов с искомым), называются обратными для данной операции. Таким образом, первая обратная операция паре с, b ставит в со- ответствие а, а вторая — паре с, а ставит в соответствие Ь. Как хорошо известно, обратные операции не всегда существуют или не всегда единственны. Так, для натуральных чисел определены опера- ции сложения и умножения, но обратные операции — вычитание и деление — не всегда выполнимы. Операция называется коммутативной, если её применение к па- рам а, b и Ь, а всегда даёт один и тот же результат. Ниже мы увидим, что если для коммутативной операции существует одна из обратных операций, то существует и другая и обе они совпадают. Для некоммутативной операции это уже неверно. Так, для положительных действительных чисел операция f(a,b) — ab не коммутативна, ибо аь^Ьа. Первая обратная опера- 6.— ция fi(c, b)= у с существует; вторая же—/2 (с, a) = logaCHe определена для а = 1 и cj^l, а также для таких а и с, когда loga сг&О (ведь мы рассматриваем нашу операцию лишь на множест- ве положительных чисел). В тех же случаях, когда вторая операция также определена, она не совпадает с первой операцией.
102 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ В одном и том же множестве может быть задано несколько алгебраических операций. Желая изучать общие свойства сложения и умножения чисел, мы рассмотрим сначала множества с одной алгебраической операцией. Таким образом, мы приходим к первому из основных понятий современной алгебры, именно к понятию группы. Определение 2. Непустое множество G называется груп- пой, если в нём определена алгебраическая операция, называемая умножением, которая каждым двум элементам а, b из G ставит в соответствие элемент ab также из G, называемый их произ- ведением, и обладает нижеследующими свойствами-. I. (Закон ассоциативност и.) a(bc) = (ab) с1); II. (Закон обратимост и.) Для любых а и b из G уравне- ния ах—b и уа = Ь разрешимы в G, т. е. в G существуют эле- менты cud такие, что ac — b, da = b. Если групповая-операция коммутативна, т. е. ab = ba для любых а, b из G, то группа G на- зывается коммутативной 2). Приведём несколько примеров групп. Пример 1. Все целые, все рациональные, все действитель- ные и все комплексные числа являются группами относительно опе- рации сложения чисел, играющего роль групповой операции умно- жения. Ни одно из этих множеств не является группой относительно опе- рации умножения чисел, ибо уравнения 0 • 1 не имеют решения. Пример 2. Все рациональные, все действительные и все ком- плексные числа, исключая число 0, являются группами относительно операции умножения чисел. Пр и м е р 3. Множество G двух элементов е и а с операцией, заданной равенствами ее = аа — е, еа = ае—а, является группой. Все эти группы коммутативны. Пример 4. Пусть G — множество всех взаимно однозначных отображений множества М на себя (§ 3, определение 3). Образ элемента а(М при отображении s(G будем обозначать через as. Произведением st двух отображений $ и t из G назовём отображе- ние, полученное в результате последовательного выполнения данных отображений (сначала s, затем /), г. е. полагаем a (st) — (as) t для любого а £7И3). При таком определении операции умножения множество G является группой. В самом деле, закон ассоциативности 1 *) Знак = обозначает, как всегда, совпадение элементов. а) Коммутативные группы называются также абелевыми. ’) Можно под произведением st понимать выполнение сначала t, а за- тем s. Тогда образ элемента а при отображении s удобнее обозначить через sa.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 103 выполнен, так как если г, s, t — три любых элемента из G, то для любого а из М находим: а [г (х/)] = (ar) (st) = [(аг) х] t. Но также а [(гх) = [а (rx)] t — [(аг) х] t. Таким образом, а [г (х£)] — а [(гх) /] для любого а из М. Это значит, что r(st) = (rs)t (оба отображения получаются в результате последовательного выполнения данных ото- бражений г, х, t). Докажем выполнение в G закона обратимости II. Пусть х и t — любые отображения из G. Для взаимно однозначного отображения х существует также взаимно однозначное обратное отображение х-1 (§ 3). Именно, если as — b, то bs^ — a. Очевидно, что хх-1 = х_,х = е, где е—тождественное отображение множества М на себя, и что ех = хе— х для любого отображения х из G. Предположим, что в G существует отображение и такое, что su=t. Умножая это равенство слева на х“*, получим: х-1 (su) = s~1t. По закону ассоциативности найдём: х-1 (sa) — (х~*х) а = ей = и, т. е. и — s~lt. Итак, уравнение sx = t может иметь решение лишь s~4. Но это отображение действительно удовлетворяет уравнению sx — t, так как х (х“Д) = (хх-1) t — et — t. Аналогично доказывается, что уравнение ух^/ имеет единственное решение y — ts~x. Итак, G—-группа. Она называется группой преобразования мно- жества М. Для конечного М-группа G называется также группой подстановок множества М.. Если М содержит более двух элементов, то группа подстано- вок G не коммутативна. Так, группа подстановок трёх чисел 1, 2, 3 содержит шесть элементов. Обозначая каждую подстановку двумя строками, где под каждым числом стоит число, ему соответствующее, запишем их в виде /Т 2 3\ /12 3\ /1 2 3\ /12 3\ /1 2 3\ /12 3\ ^1 2 3/’ \1 3 2/’ Ь 1 3/’ \2 3 1/Цз 1 2/’ \3 2 1)' Перемножая, находим: /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ V 3 2/ \2 1 3/~\2 3 11 11 \2 1 3/V 3 2J \3 1 2/’ т. е. произведение меняется при перемене порядка сомножителей.
104 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Группы подстановок имеют большое значение в алгебре. С ними связано решение вопроса о разрешимости уравнения в радикалах, данное французским математиком Эваристом Галуа (1811 — 1832). Следствия из законов ассоциативности и комму- тативности. Закон ассоциативности I позволяет говорить о про- изведении трёх элементов а, b и с группы G, понимая под этим любое из равных произведений а (be) и (ab)c, и писать рядом abc без скобок. Можно, однако, и без закона ассоциативности индук- тивно определить произведение для любых п элементов av а.2,..., ап из G (обоснование законности индуктивного определения будет дано в гл. 1П). Именно: 1 Определение 3. | | а2 = а2 для любого элемента а2 из G; п+I п '—1 ПИП4- I = I 1 = 1 Согласно этому определению имеем, например: ^3’ а1а2а3°4 == [(а1°2) аз] а4’ aiaiaiaiab=\{(alai)ai\al\ai и т. д. Произведение двух произведений также можно представить в виде произведения всех встречающихся элементов, а именно: (а1а2---azn) (am+lam+2 ап) — а1а2--------ап или в сокращённой записи: т п — т п пп П(1) j = i. * = 1 i=i Докажем равенство (1) при заданном т индукцией по п. При п=1 оно вытекает прямо из определения 3. Если (1) верно для
ГРУППЫ, кольца и ПОЛЯ 105 числа п, то, применяя определение 3 и закон ассоциативности, на ходим: что и доказывает (1) для числа Можно определить произведение любого конечного числа эле- ментов группы с любым распределением скобок и доказать его независимость от распределения скобок [в]. Для коммутативной группы G произведение п элементов не за- висит о г порядка сомножителей, т. е. если /(i) — любое взаимно однозначное отображение множества 1, 2, ... , и на себя, то п п i = I i = I (2) Наметим лишь ход доказательства, предоставляя читателю его детальное проведение. 1) Пользуясь правом вводить и отбрасывать скобки и законом коммутативности, доказываем, что произведе- ние п элементов не меняется от перестановки двух соседних мно- жителей. 2) Перестановку двух любых множителей сводим к ряду перестановок соседних множителей. 3) Любую перестановку множи- телей сводим к ряду перестановок двух множителей. Следствия из законов обратимости. Заметим, что свойство II ещё не означает наличия в G операций, обратных умножению, так как II утверждает лишь существование, но не единственность элементов с и d. Для доказательства един- ственности этих элементов введём понятия единицы и обратного элемента. Определение 4. Единицей группы G называется элемент е такой, что еа — ае = а для любого а из G. Обратным для эле- мента а из G называется элемент а~х такой, что аа~г = а~га = е, где е — единица группы G. Теорема 1. В любой группе G существует единица е и при- том только одна', для любого элемента а существует обратный Элемент а~1 и притом только один', существующие по закону обратимости II решения уравнений ах = Ь и уа = Ь являются единственными для любых а и b из G.
106 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Доказательство. Пусть е — решение уравнения yb — b для некоторого b из G, т. е. eb = b. Для любого а уравнение Ьх — а имеет решение с, т. е. Ьс=а. Тогда еа = е(be) = (eb) c = bc~a. Итак, еа = а для любого а из G. Так же доказывается существо- вание в G элемента ё такого, что аё = а для любого а из G. Тогда е = её = ё. Итак, е — единица группы G. Если с, и е2— две единицы, то e1 = eJe2 = e2, чем доказана единственность единицы е. Далее, по закону обратимости II существуют элементы b и с, для которых Ьа = еи ас = е. Тогда b — be = b (ас) = (Ьа) с = ее — с, т. е. Ь = с. Итак, элемент а~1 = Ь обладает свойством ааГ1 = а~Аа — е, т. е. является обратным для а. Если b и с — два любых элемента, обрат- ных для а, то, как выше, докажем, что b = bac = c, чем доказана единственность обратного элемента. Если Cj и с2 — любые решения уравнения ах-=Ь, то асх — Ь и ас2 = 6. Значит, ас! = асг. Умножая слева на а~г, найдём Cj=c2. Так же доказывается единственность решения уравнения уа = Ь. Теорема доказана. Заметим, что из существования во множестве G единицы и обратных элементов при наличии закона ассоциативности следует выполнение в G законов обратимости. В самом деле, уравнение ах^=Ь имеет решение а~гЬ и уравнение ya — b имеет решение Ьа~\ Таким образом, группу можно было бы определить как множе- ство с ассоциативной операцией, обладающее единицей и обратными элементами. В примере 1 групп чисел по сложению единицей будет число 0 и обратным элементом для числа а — противоположное число — а. В примере 2 групп чисел по умножению единицей будет число 1 и обратным элементом для числа а — обратное число —. В при- мере 3 единицей будет е и каждый из элементов е и а будет об- ратным для самого себя. В примере 4 единицей будет тождествен- ное отображение множества М на себя, и обратным элементом для отображения s будет обратное отображение д-1. Произведение п одинаковых сомножителей а называется и-й степенью а и обозначается через ап. Это определение имеет смысл для любого натурального числа п. Для л = 0 определяем аУ—е, где е — единица группы G. Для це- лого отрицательного п —— т степень ап = ат можно определить либо как (а~1)т, либо как («т) ’. Оба эти определения эквивалентны, так как ат (ал)т — (чаа ... a)(a~1a~ia~t ... а~1)~е, т раз т раз откуда (a'1)m=(«m)1.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и поля 107 Свойство произведения (1) при совпадении сомножителей обра- щается в известное свойство степени атап = ат+п. (3) । Далее, индукцией по п легко доказать, что (ат)п — атп. (4) . Для коммутативных групп из возможности перестановки сомно- жителей (2) следует: . (ab)n = anbn. (5) Мы указали, как равенства (3), (4) и (5) доказываются для натуральных чисел т и п, однако эти равенства остаются верными для любых целых чисел т и п, что можно проверить путём рас- смотрения всевозможных случаев /и ||| 0, п 0. Из однозначности решений уравнений ах — b и уа = Ь следует наличие в группе G обеих обратных операций для операции умно- жения. В случае коммутативной группы G обе эти обратные опе- рации совпадают. В самом деле, если с — решение уравнения ах=Ь, то ас = Ь. Значит, са — b, т. е. с — решение уравнения уа = Ь. Определение 5. Операция, обратная для операции умно- жения в коммутативной группе G, называется делением. Её ре- зультат для элементов а и Ь, т. е. решение уравнений ах = Ь и уа = Ь, называется частным элементов b и а и обозначается , ь через Ь'. а или х Аддитивная запись. Г рупповая операция может обозначаться через а-\-Ь и называться сложением. Тогда говорят об аддитивной записи группы. В этом случае группа обычно предполагается ком- мутативной. При аддитивной записи вместо 1 говорят о нуле и вместо обратного элемента а-1 о противоположном элементе — а. Далее, вместо степени ап говорят о кратном па (не следует пони- мать па как произведение п и а, ибо целое число может и не быть элементом группы G). Итак, па ==r a -J- а —|— а —|— ... —|— а п раз Для аддитивно записанной группы G сумма п элементов обозна- чается так: л ai Ч" ач 4" - • 4“ ап ~ 2 Я/’ >»1
108 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ и соответственно изменяется вид равенств (1) — (5). В частности, равенства (3) — (5) принимают вид (т п) а = та -|- па, (6) т (па) = (тп) а, (7) п (а Ц- b) — па -|- nb. (8) Операция, обратная операции сложения в аддитивно записанной коммутативной группе, называется вычитанием, а её результат для элементов а и Ь, т. е. решение уравнений а-[-х=Ь и у-[-а = й, называется разностью элементов b и а и обозначается через b — а. Подгруппа. Определение 6. Подмножество Н группы G называется подгруппой этой группы, если оно само является груп- пой при той же групповой операции, что и в G. При выяснении того, является ли данное подмножество Н под- группой, можно пользоваться следующей теоремой: Теорема 2. Непустое подмножество Н группы G будет под- группой тогда и только тогда, когда 1) произведение двух любых элементов а и b из Н принадлежит Н, 2) элемент а~1, обратный для любого элемента а из Н, принадлежит к Н. Доказательство. Необходимость этих условий очевидна. Если, обратно, для Н выполнены условия 1) и 2), то И (как не- пустое множество) содержит элемент а, значит, по свойству 2) оно содержит и а-1 и по свойству 1) аа~1— е. Таким образом, Н со- держит единицу е и вместе с любым элементом а содержит обратный элемент а1. Так как закон ассоциативности автоматически перехо- дит с G на 77, то Н—подгруппа группы G. Мы ограничимся лишь этими основными свойствами групп, отсы- лая читателя, интересующегося более глубокими свойствами, к спе- циальной литературе (см. [6] и [’])- § 7. Кольцо Мы рассмотрели в предыдущем параграфе свойства одной алге- браической операции. Однако в случае чисел, которыми мы будем заниматься в дальнейшем, налицо две операции — сложение и умно- жение, — связанные между собою дистрибутивным (распределитель- ным) законом. В этом и следующем параграфах мы и рассмотрим общие свойства множеств с двумя операциями. При этом мы огра- ничимся лишь нужным для чисел случаем коммутативных операций. Определение 1. Непустое множество R называется коль- цом, если в нём определены две алгебраические операции', сложение, ставящее в соответствие каждым двум элементам а, b элемент а -ф- Ь, называемый их суммой, и умножение, ставящее в соответ- ствие каждым двум элементам а, b элемент аЬ, называемый их
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 109 произведением, причём эти операции обладают следующими свой- ствами- I. (Коммутативность с л о ж е н и я.) а -|- b = b-\-a-, II. (Ассоциативность сложения.) а-\-(Ь -с) — = (а 6) с; III. (Обратимость сложения.) Для любых а и b из R уравнение а-\-х = Ь имеет (по крайней мере одно) решение, т. е. существует элемент с(Д такой, что а-\-с = Ь', IV. (Коммутативность умножения.)’) ab — ba-, V. (Ассоциативность умножения.) a (be) = (ab) с; VI. (Дистрибутивность умножения относительно сложения.) (а -|~ Ь) с — ас - Ъс. Примеры колец. При обычных операциях сложения и умно- жения кольцом является: I. Множество целых чисел. 2. Множество рациональных чисел. 3. Множество действительных чисел. 4. Множество комплексных чисел. 5. Множество, состоящее лишь из одного числа 0. 6. Множество чётных чисел и вообще множество целых чисел, кратных некоторому числу п. 7. Множество комплексных чисел a -|- Ы с целыми а и b (так называемое кольцо целых комплексных чисел). 8. Множество действительных чисел а^-Ь-^2, где а и b — це- лые числа. Множество натуральных чисел, а также множество всех поло- жительных рациональных чисел кольцами не являются, так как не выполняется аксиома III. 9. Большую роль в алгебре играет кольцо многочленов с одним или несколькими неизвестными и коэффициентами из некоторого кольца /?. При этом за операции сложения и умножения принимаются обыч- ные действия над многочленами, известные из школьной алгебры. Эти действия имеют смысл, так как они сводятся к сложению и умножению коэффициентов многочленов, а последние принадлежат к кольцу /?, где указанные действия определены. 10. Пары (а, Ь) целых чисел образуют кольцо, если операции определены по формулам (а, Ь) -(- (с, d) — (a-\-c, b~\-d), (a, b)(c, d) = (ac, bd). ’) В литературе термин «кольцо» применяется также ко множествам с некоммутативным или даже неассоциативным умножением. Формулировки Других свойств также меняются. В конце данной статьи при обобщении по- нятия числа нам понадобятся кольца без коммутативности умножения.
по ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Проверить справедливость аксиом I—VI во всех этих примерах предоставляется читателю. Для сложения и умножения в кольце справедливы все след- ствия, полученные из законов, ассоциативности и коммутативности в предыдущем параграфе. В частности, можно определить сумму и произведение любого конечного числа элементов (§ 6, опре- деление 3), для которых верны правила оперирования, аналогич- ные (1) из § 6 и которые не зависят от порядка данных элемен- тов [§ 6, (2)]. Свойства I—III показывают, что кольцо относительно операции сложения является коммутативной группой. Поэтому во всяком кольце существует элемент 0, называемый нулём кольца, со свой- ством 6Z —|— 0 ~ О J- а а для любого а. Далее, для любого а существует противоположный элемент — а такой, что « + (—«) = (— а) + а = О- При совпадении слагаемых или сомножителей мы получаем «-крат- ное па или п-ю степень ап элемента а. При этом степень ап опре- делена вообще лишь для натурального п, гак как её определение для п 0 требовало существование единицы и обратного эле- мента а-1, что в кольце может не выполняться. Свойства степени (3) — (5) из § 6 сохраняются также лишь для натуральных показа- телей. В отличие от этого понятие и-кратиого па элемента а и его свойства (6) — (8) из § 6 остаются верными в случае кольца (как группы по сложению) для любых целых чисел. Из законов сложения I—III следует (как для всякой коммута- тивной группы) существование в любом кольце операции вычитания, обратной сложению. Умножение может и не обладать обратной операцией, как, например, в кольце целых чисел или в кольце мно- гочленов. Следствие закона дистрибутивности. До сих пор мы рассматривали свойства каждой из двух операций кольца отдельно. Переходим к изучению их связи между собой. Эта связь опреде- ляется законом дистрибутивности VI. Прежде всего из VI и IV следует, очевидно, вторая форма закона дистрибутивности: а (Ь -ф- с) = ab -ф- ас. Далее, обе формы закона дистрибутивности оказываются вер- ными также и для разности, т. е. {а — Ь)с = ас— Ьс, а(Ь— c) = ab — ас. (1)
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 111 Для доказательства первого равенства надо проверить, что эле- мент (а — Ь)с удовлетворяет определению разности элементов ас и Ьс. Но действительно Ьс -|- (а — Ь) с = \Ь -|- (а — />)] с = ас. Второе равенство доказывается аналогично. Докажем теперь, что нуль кольца обладает обычным свойством при умножении: Теорема 1. Если один из сомножителей равен нулю, то и всё произведение равно нулю, т. е. а-0 = 0, 0-а = 0 (2) для любого а. Докажем лишь первое из равенств, так как второе вытекает из первого при помощи IV. По определению нуля и разности 0 = Ь — Ь для любого Ь. Отсюда a-Q = a(b— b) — ab — ab = 0. Однако теорема, обратная теореме 1, верная для чисел, уже не сохраняется для любых колец, иными словами, если произведение двух элементов кольца равно нулю, то нельзя утверждать, что хотя бы один из них равен нулю. Так, в приведённом выше при- мере 10 кольца, составленного рз пар (а, Ь) целых чисел, нулём является, очевидно, пара (0, 0). Если взять целые числа а 0 и Ь 0, то пары (а, 0) и (0, Ь~) отличны от нуля кольца, но (а, 0)(0, Ь) = (0, 0). Определение 2. Элементы а и Ь кольца, для которых а ф 0, b ф 0, но ab = 0, называются делителями нуля. Кольцо без делителей нуля называется также областью целостности. Теорема 2. Из аЬ — ас следует Ь = с, если только а^ЬО и не является делителем нуля. Доказательство. Из ab = ac следует ab •— ас — 0 или а (Ь — с) = 0. Но так как а 0 и не делитель нуля, то b — с — 0, Ь = с. В дальнейшем нам придётся иметь дело исключительно с коль- цами без делителей нуля. Для них из ab = ac и а ф 0 следует Ь = с. При умножении справедливы обычные правила знаков *), а именно: а(—Ь) — — ab, (—а)Ь = — ab, (—а)(—b) — ab. (3) Первое из этих равенств доказывается так: ab -|- а (— Ь) = а \Ь 4- (— /»)*] = а • 0 = 0, откуда а{—б) =— о.Ь. ‘) Заметим, что не следует пользоваться терминами «положительный» и «отрицательный» элемент, как для чисел. Эти понятия для любых колец будут введены в § 10. Пока же элементы а и — а вполне равноправны, каждый из них является противоположным для другого, и если обозначить — а через Ь, то а придётся обозначить через — Ь.
112 ПОНЯТИЯ 1НОЖЕСТВЛ , ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Второе вытекает из первого: (— с)Ь = Ь (— о.) = — Ьа = — ab. Третье следует из первых двух: (— а) (— Ь) = — (— а) b = — (— ab) = ab. По индукции законы дистрибутивности обобщаются на любое конечное число слагаемых, а затем и на произведение двух сумм. Справедливы, таким образом, равенства i= I k = fe = I Отсюда и из свойств кратного [§ 6, (7)] при совпадении слагае- мых каждой суммы, т. е. при ai = a (z=l, 2, ... , п), bk = b (А=1, 2, ... , т), следует далее: (па) b — a (nb) = п (ab), 1 (па) (mb) — п(т (ab)\ = (пт) (ab). ) В главе IV нам понадобятся следующие свойства разности эле- ментов кольца: Теорема 3. (Свойства разности.) В любом кольце раз- ность элементов обладает следующими свойствами- а) а — Ь = с — d тогда и только тогда, когда a-\-d = b-\-c, б) (а — Ь) -|- (с — d) = (a-j-c) — (b d)\ в) (а — Ь) — (с — d) — (а 4- d) — (b -|- с); г) (а — Ь)(с — d) = (ас bd) — (ad -J- be). Доказательство. Прибавляя b-]-d к обеим частям равен- ства а—Ь = с— d, получим: a -J- d — b с. Обратно, прибавляя (—&)-|-(—d) к обеим частям второго из этих равенств, получим первое. Этим доказано а). Равенства б), в) и г) доказываются ана- логично. Подкольцо. Определение 3. Подмножество М кольца R называется подкольцом, если оно само является кольцом при тех же операциях сложения и умножения, которые определены в кольце R. Так, кольцо чётных чисел является подкольцом кольца целых чисел, а последнее в свою очередь — подкольцом кольца рацио- нальных чисел.
группы, кочьцл и поля ИЗ При выяснении того, является ли данное множество кольца под- кольцом, нет надобности проверять справедливость всех свойств кольца. Большинство из них автоматически переходит с кольца на любое его подмножество. Удобнее всего пользоваться для этого такой теоремой: Теорема 4. Для того чтобы непустое подмножество М кольца R было его подкольцом, необходимо и достаточно, чтобы сумма, разность и произведение любых двух элементов из М снова принадлежали М. Доказательство. Для доказательства необходимости этих условий предположим, что М является подкольцом /?. Сложение в 714 совпадает со сложением в /?. Но из единственности обратной операции следует, что и вычитание в 714 совпадает с вычитанием в R. Поэтому сумма, разность и произведение любых двух элемен- тов из 714 (определённые в кольце /?) должны принадлежать снова к 744, так как иначе одна из этих операций для данных двух эле- ментов 714 была бы невыполнима в 714, что противоречит определе- нию кольца (см. определение 1) и следующей из него выполни- мости вычитания. Для доказательства- достаточности предположим, что множе- ство 714 удовлетворяет условиям теоремы. Так как сумма и произ- ведение (определённые в 7?) любых элементов из 714 снова принад- лежат к /И, го их можно принять за результат сложения и умно- жения в Л1. Этим в М будут определены сложение и умножение. Свойства I, II, IV, V и VI переносятся автоматически с R на любое его подмножество и, значит,, выполнены в 714. Пусть а и b — элементы 714. Тогда b — а = с также есть эземент М. Но по свой- ству разности в R имеем: а-\-(Ь — а) = Ь или а -|- с = Ь. Таким образом, и свойство III выполнено в М, и М является под- кольцом кольца R. § 8. Поле Примеры колец, приведённые в предыдущем параграфе, пока- зывают, что в отношении обратной операции для умножения (в от- личие от сложения) различные кольца обладают совершенно раз- личными свойствами. Так, в кольце целых чисел деление выполняется лишь в исключительных случаях, причём все элементы кольца де- лятся на -[-1 и —I. В кольце же рациональных чисел деление всегда возможно (кроме деления на 0). Желая изучить свойства обратной операции для умножения, мы приходим к важнейшему частному случаю кольца — полю. Определение 1. Полем называется кольцо Р, обладающее следующими свойствами: 8 Энциклопедия, кн. 1.
114 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ VII. (Обратимость умножения.) Для любых а и b из Р, где а 4 О, уравнение ах — b имеет (по крайней мере одно) реше- ние, т. е. существует элемент q^P такой, что aq — Ь. VIII. Р содержит по крайней мере один элемент, отличный от нуля. Примеры полей. Из примеров 1—10 колец, приведённых в предыдущем параграфе, только 2, 3 и 4, т. е. рациональные, действительные и комплексные числа, являются полями. В примере 5 свойство VII выполнено, так как вообще нет элемента а £. 0, но не выполнено свойство VIII. В остальных примерах не выполняется свойство VII. Приведём ещё следующие примеры полей. 1. Множество комплексных чисел a-\-bi с любыми рациональ- ными а, b (так называемое поле рациональных комплексных чисел; сравнить с примером 7 из § 7). 2. Множество действительных чисел вида a -j- b ]/2 с любыми рациональными а и b (сравнить с примером 8 из § 7). 3. Множество всех рациональных функций с действительными коэффициентами от одного или нескольких переменных. 4. Множество из двух элементов, которые мы обозначим через 0 и 1, при следующем определении операций: о -|- 0 = 14-1 = о, 04-1 = 14-0 = 1, 0-0 = 0-1 = 1-0 = 0, 1-1 = 1. Проверку свойств i — VIII мы предоставляем читателю. Все теоремы из § 7, выведенные для колец, остаются верными, в частности, для полей. Кроме того, из свойства VII вытекают теоремы, аналогичные тем, которые были выведены в § 7 из свойства III. Как всякое кольцо, поле является группой относительно опера- ции сложения. Все элементы поля, не равные нулю, образуют группу относительно операции умножения. В самом деле, если а 4 0 и b 4 0, то уравнение ах — b имеет решение q 4 0, ибо а • 0 = 0 4 b (§ 7, теорема 1). Поэтому свойства умножения IV, V (§ 7, опреде- ление 1) и VII доказывают наше утверждение. Группа по сложению всех элементов поля называется аддитивной, а группа по умноже- нию всех его элементов, отличных от нуля,—мультипликативной группой поля. Поле вполне определяется заданием двух этих групп, заданием произведений нуля на все элементы и требованием дистри- бутивного закона для любых его элементов, включая нуль. Отсюда уже следует, что произведение любого элемента на нуль равно нулю (§ 7, теорема 1). Из свойств мультипликативной группы (§ 6, теорема 1) следует, что в поле существует единица, т. е. такой элемент е, что ае = еа = а для любого а из Р. В самом деле, для а 4 0 эго следует m свойств единицы группы, а для а=0 — из свойства нуля при умножении.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 115 Далее, для любого а О существует обратный элемент а~1 такой, чго аа 1 =а1а = е. При этом единица е и обратный элемент а1 для данного а определяются однозначно. Если в кольце существует единица, го только одна, ибо, если е, и е2 — единицы, то et = ete2 = е3. Если для элемента а кольца с единицей существует обратный элемент, то только один, ибо, если b и с — обратные элементы для а, то b = bac = c. Но в кольце с единицей может и не быть обратных элементов, как, например, в кольце целых чисел. Существуют также кольца без единицы, как, например, кольцо чётных чисел или кольцо целых чисел, кратных числу л^>1. Если в кольце R существует единица 0 и для любого а ф О существует обратный элемент а то элементы кольца, отличные от нуля, образуют группу по умножению (§ 6), и значит, кольцо R будет полем. Так как мультипликативная группа поля коммутативна, то умно- жение обладает обратной операцией — делением. При этом част- Ь л ное — однозначно определено для любого а, не равного нулю, и любого Ь. Для b О это следует из свойств мультипликативной группы поля (§ 6), а для й=?0 имеем: =0, так как а- 0 = 0. Дополнительное требование а 0, входящее в свойство VII, нару- шает симметрию свойств сложения и умножения поля. Отбросить это требование и тем самым восстановить указанную симметрию, однако, невозможно. В самом деле, уравнение ах — Ь при а = 0 и b 0 не имеет решения в поле или даже в кольце, содержащем элементы, отличные от нуля. Действительно, если q — решение ука- занного уравнения, то aq = 0 • q = O = b, что невозможно. Поэтому деление на нуль невозможно, если делимое отлично от нуля. Част- 0 ное 0 может равняться любому элементу кольца, так как для любого q имеем: 0 • <? = 0. Теорема 1. Поле не имеет делителя нуля (§ 7, определе- ние 2), пг. е. если ab = 0, то либо а = 0, либо Ь — 0. Доказательство. Если ab = 0 и а^О, то, умножая обе части равенства на а~1, найдём 1 .Ь = а 1 • 0, т. е. Ь — 0. Итак, поле является кольцом без делителей нуля. Утверждение, обратное этому, вообще неверно: существуют кольца без делителей нуля (например, кольцо целых чисел), не являющиеся полями. Однако для конечных колец обратная теорема также верна. А именно: Теорема 2. Всякое конечное кольцо без делителей нуля, со- держащее более одного элемента, является полем. Доказательство. Достаточно проверить свойство VII. Пусть а 0. Каждому элементу х кольца поставим в соответствие элемент у^=ах. Если xt ф х3, то также У\~=^У3, ибо иначе ахх=ах3 и xY =х.2 (§ 7, теорема 2). Значит, х—>у есть взаимно однозначное в»
116 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ отображение всего кольца А? на некоторое его подмножество Л1, т. е. Но по теореме 1 из § 4 конечное множество А1 не равномощно своему собственному подмножеству. Поэтому R=M, т. е. для любого элемента b(: R существует в R элемент q такой, что q—>b, т. е. aq = b, что и доказывает VII. Так как все элемен1ы поля, отличные от нуля, образуют по умножению коммутативную группу, то для любого элемента a О степень ап определена при любом целом показателе п, причём спра- ведливы обычные свойства степени [см. § 6, (3)—(5)]. Для частного элементов любого поля верны те же правила опе- рирования, что и для обыкновенных дробей. В главе V нам пона- добятся следующие свойства частного: Теорема 3. (Свойства частного.) а) Если b^EO, d^bO, то ~ = с тогда и только тогда, когда ad = Ьс: b d ’ «. / п j п а , с ad±bc б) если b ДО, d ф 0, то ——, .— ; ' bdbd в) если b уЬ 0, афО, то -г • ~с = , . ; ' ’ г- ’ bdbd , «./г. , п г / п ас ad г) если Ь ф 0, с 0, d 0, то -г‘. . —, . ’ -г- 1 -г- у -г- > b d Ьс Доказательство. Помножая обе части равенства ~ = ~ на bd, получим: ad — bc. Если, обратно, дано равенство ad = bc, где b 0 и d 0, то, полагая °—х, ~у, получим: bdx—ad, bdy—bc, отк}да bdx = bdy. Умножая обе части равенства на Ь~1 , j-i ° с и d *, получим: х=у, т. е. . b d Этим утверждение а) доказано. Утверждения б) и в) доказы- ваются аналогично второй части утверждения а). Наконец, для дока- зательства утверждения г) достаточно убедиться, что а с ad b d be Но это равенство следует, очевидно, из в) и а). Теорема доказана. Характеристика поля. Существуют поля, содержащие элементы а ^0 такие, что /;а = 0 при целом п, отличном от нуля. Так, в поле из двух элементов 0 и е (см. пример 4 в начале этого параграфа) имеем: 2е = е-|-е = 0. Справедливо утверждение: Теорема 4. Для любого поля Р имеет место один из двух случаев: а) для любого элемента а уЬ 0 и любого це гого числа пуЬО кратное па также отлично от нуля1,
группы, кольцх и поля 117 б) существует единственное простое число ’) р такое, что ра~0 для любого элемента а. Доказательство. Пусть случай а) не имеет места, т. е. су- ществуют элемент поля а 0 и целое число п рЬ 0, для которых па = 0. Докажем, что тогда имеет место случай б). Для любого Ь(:Р существует q такое, чго aq — b. Тогда по (5) из § 7 также nb — n (aq) = {па) q = 0 • q = 0. Достаточно поэтому доказать, что случай б) имеет место для какого-нибудь одного элемента а 0, например для единицы е. По доказанному пе = 0, значит, и (—п)е^=— пе = О. Одно из чисел /г и —п — положительное. Существуют, следовательно, натуральные числа k такие, что ke = 0. Пусть р будет наименьшее из чисел k с этим свойством* 2). Покажем, чго р — число простое; р^Л, так как 1-е — е^ьО и ре — 0. Если р делится на q, где 1 <^q<^р, то p — qr и также 1<^г<^р. Тогда по (5) из § 7 /л? = (qr) (ее) - (qe) (re) — 0, и ввиду отсутствия делителей нуля (теорема 1).либо qe — О, либо ге = 0, что невозможно, ибо р — наименьшее натуральное число, обладающее этим свойством.’ Пусть k — любое натуральное число такое, что Ае = 0; деля k на р, найдём: k—pq -у- г, где остаток г удовлетворяет условию 0^г<^р. Тогда из (6) § 6 и (5) §7 сле- дует: ke — (pq -f- г) е — (pq) e-[-re — q (ре) re = 0 re = re — 0. Значит, должно быть г=0, так как г^>0 противоречит выбору р. Итак, k—pq, т. е. k делится на р, и если k отлично от р, оно не может быть простым. Значит, р — единственное простое число, для которого ре = 0. Эта теорема позволяет дать следующее определение: Определение 2, Характеристикой поля Р называется число 0. если nay^Q для любого элемента а^ 0 и любого целого числа и простое число р такое, что ра = 0 для любого элемента а в противном случае. Так как для числа 1 и любого целого и будет п 1 = л, то все числовые поля имеют характеристику 0. Пример поля характеристики Пусть п - любое натуральное число, большее единицы. Тогда все целые числа могут быть разбиты на классы, так что к одному классу принадлежат все *) Под простым числом понимается натуральное число, отличное от 1 и не делящееся пи на какое натуральное число, кроме 1 и самого себя. 2) Что всякое непустое .множество натуральных чисел содержит наи- меньшее число, будет доказано в г тане III,
118 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ числа, дающие при делении на п один и тот же остаток. Если класс чисел, дающих при делении на п остаток г, обозначить через (г), то мы получим всего п различных классов: (0), (1), (2), ... , (л—1). Очевидно, что два числа а и b тогда и только тогда принадлежат к одному классу, когда их разность а — b делится на и1). Пусть Сп — множество всех определённых таким образом классов целых чисел. Определим в Сп операции сложения и умножения. Если (г) и (у) — два класса, причём класс (г) содержит число а и (у) — число Ь, то суммой (г) -|- (у) данных классов назовём класс, содержащий число а-^-Ь, и произведением (г) • (у) — класс, содержащий число ab. Сумма и произведение классов определены однозначно, т. е. не зависят от выбора представителей а и b этих классов. В самом деле, если а и а' — два числа из класса (г) и b и Ь' — два числа из класса (у), то числа а — а и b — Ь' делятся на п. Поэтому также (а + й)-(а' -±b') = (a-d)±(b-b') и ab —- a'b' = (ab — а'Ь) (с'Ь — db') = (а — а') b d (b — Ь’) делятся на п. Но это значит, что числа а-\-Ь и d Ь' принадлежат к одному классу и то же верно для чисел ab и dbf. Свойства кольца I—VI (§ 7, определение 1) для классов авто- матически выполняются, так как эти свойства верны для целых чи- сел, и операции над классами определены через операции над пред- ставителями. Итак, С„ является кольцом. Оно называется кольцом вычетов по модулю п. Нулём кольца Сп является, очевидно, класс (0), состоящий из всех чисел, делящихся на п. Если n — kl—число составное, то кольцо Сп содержит делитель нуля, так как (k) (0) и (/) (0), но (А) (/) —(0). Если же п— р — число простое, то кольцо Ср не имеет делителей нуля, так как, если (г).(у) = (0), то rs делится на р, и значит, либо г, либо s делится на р, т. е. либо (г)=0, либо (у) —0. Так как кольцо Ср содержит р элементов и, значит, конечно, то по теореме 2 оно будет полем. Класс р(г) содержит число рг, делящееся на р. Поэтому р (г) —(0) для любого класса (г) поля Ср. Значит, р — характеристика поля Ср. Подполе. Простое поле. Определение 3. Множество М погя Р называется подполем Р, если оно само является полем при тех же операциях сложения и умножения, которые за- даны. в поле Р. Тогда Р называется надполем или расширением поля М. Так, поле рациональных чисел является подполем поля действи- тельных чисел, а последнее — подполем поля комплексных чисел. *) По существу мы имеем здесь дело со сравнениями по модулю п (см. статью А. Я. Хипчина в этой книге).
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 119 Теорема 5. Для того чтобы множество Л1 по гя Р, содер- жащее не менее двух элементов, было подполем, необходимо и достаточно, чтобы сумма, разность, произведение и частное (если только оно существует в Р) любых элементов из М снова при- надлежали к М. Доказательство вполне аналогично проведённому для соответ- ствующей теоремы о кольцах (см. § 7, теорема 4), и мы его при- водить не будем. Всякое подполе Л1 поля Р содержит 0 как разность а — а, где а£ М, и единицу как частное у, где а С М, а 0. Теорема 6'). Пересечение (в смысле пересечения множеств; см. § 2) любого множества подполей поля Р опять является под- полем поля Р. Доказательс г в о. Пусть { Ms } есть некоторое множество под- полей, где индексы $ образуют множество S и D f] Ms — пересечение s^S всех подполей Ms данного множества; 0 и 1 входят в каждое под- поле A4S и, значит, в D. Итак, D содержит не менее двух элемен- тов. Если а и Ь — элементы D, то они входят в каждое AIS и по теореме 5 а \ Ь, а — b, ab, а при и у также входят в Als, а значит, и в П. В силу теоремы 5 D — подполе поля Р. Определение 4. Поле, не имеющее подполей, отличных от него самого, называется простым. Примерами простых полей могут служить поле рациональных чисел и поля вычетов по простому модулю р. Любое подполе М поля Р рациональных чисел содержит число 1, а значит, и все его кратные п- 1=п, т. е. все целые числа, а зна- чит, и все их частные, т. е. все рациональные числа. Итак, М — Р, т. е. Р—простое поле. Точно так же любое подполе М поля Ср вычетов по простому модулю р содержит класс (I), служащий единицей Ср, а значит, любой класс (г) как r-кратное класса (1). Итак, Л4 = Ср, т. е. Ср — простое поле. Можно доказать, что этими полями в некотором смысле исчер- пываются все простые поля. Теорема 7. Любое поле содержит простое подполе и при- том только одно. Доказательство. Поле Р вообще содержит подполя (на- пример, само Р). Пусть D есть пересечение всех подполей поля Р. По теореме 6 D является подполем Р и по самому определению входит в любое подполе. Пусть М — подполе D, отличное от D. ') Соответствующая теорема верпа и для колец, т. е. пересечение любого множества подколец кольца R есть подкольцо кольца R. Доказательство её вполне аналогично данному здесь для полей и предоставляется читателю.
120 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Из определения 3 следует, очевидно, что М будет подполем и для Р, и D не входит в М, что невозможно. Итак, D — простое под- поле Р. Если D’ — также простое подполе поля Р, то пересечение О” = D П D' будет опять подполем поля Р, причём D" c^D и D" с: £)'. Но из определения 3 следует, что в таком случае D” будет под- полем как для D, так и для D', а так как D и D —простые подполя, то D — D" — D', чем доказана единственность простого подполя. § 9. Аксиоматическое построение математики. Изоморфизм Каждая математическая теория изучает множества с теми или иными отношениями элементов, обладающими теми или иными свой- ствами. Содержание теории заключается в определении одних отно- шений (или понятий) через другие и в доказательстве одних свойств этих отношений (или понятий) на основании других свойств. Так, в теории упорядоченных множеств одно из отношений «больше» и «меньше» определяется через другое, с их помощью определяется понятие «первый элемент» и т. д. (§ 5); в теории колец отно- шение а — Ь — с и понятие «нуль» определяются через отноше- ние а-{-/> = с. Ясно, что определить все понятия и отношения и доказать все их свойства невозможно по причинам чисто логического характера: каждое определение лишь сводит данное понятие к другим, а каждое доказательство лишь выводит данное свойство из других. Прихо- дится поэтому некоторые отношения (или понятия) оставлять без определения. Они называются основными отношениями или поня- тиями. Точно так же приходится некоторые свойства этих основных отношений оставлять без доказательства. Эти свойства называются основными свойствами или аксиомами. Список основных понятий и аксиом и составляет фундамент данной математической теории, на котором вся она строится логическими средствами. Основной особенностью, придающей современному построению математических наук абстрактный характер, является изучение свойств интересующих нас понятий и отношений в применении к любым множествам, в которых данные понятия и отношения могут быть определены. При этом конкретный смысл элементов множеств и все их конкретные свойства (помимо изучаемых в данной математиче- ской теории) для данной теории совершенно безразличны. Так именно было, например, в трёх последних параграфах при определении группы, кольца и попя как множеств элементов с данными отноше- ниями (операциями сложения и умножения), обладающими данными основными свойствами; так обстоит дело при аксиоматическом по- строении геометрии (см. [8| и [9]), где точки, прямые и плоскости — объекты, природа которых для формального построения геометрии Совершенно безразлична, лишь бы между ними были определены
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 121 основные отношения («точка лежит на прямой» и т. п.), удовлетво- ряющие основным условиям (аксиомам геометрии). Но если так, то можно думать, что существует не одна, а много теорий колец и полей, не одна, а много различных геометрий в за- висимости от того, какое конкретное множество положено в основу данной теории. Выход из этого затруднения следует, однако, уже из сказанного выше и заключается в точном определении содержа- ния данной математической теории. Ведь данная теория, как было указано, изучает не все свойства элементов множества, а лишь те из них, которые относятся к основным отношениям, заданным для этих элементов, и которые вытекают из основных свойств (аксиом), которым подчиняются основные отношения. Все остальные свойства (сами по себе, можег быть, весьма важные) просто не являются предметом изучения в данной теории. Она абстрагируется от этих свойств. Поэтому все множества, для элементов которых определены (для каждого множества по-своему, на основе конкретных свойств его элементов) основные отношения и у которых все свойства этих отношений одинаковы, с точки зрения данной теории неразличимы между собой. Но так как основные отношения определяются для каждого мно- жества, исходя из конкретных свойств его элементов, то, изучая в абстрактной форме свойства основных отношений, данная теория изучает, таким образом, некоторые конкретные свойства целого класса конкретных множеств.,Это диалектическое единство абстракт- ного и конкретного свойственно всякой науке, но в математике оно проявляется, пожалуй наиболее ярко. Конечно, математика изучает не все свойства материальных тел, а лишь те из этих свойств, которые поддаются количественной оценке или пространственному описанию. Основные для всей математики понятия числа и фигуры являются абстрактным выражением именно этих свойств материаль- ных тел. Таким образом, несмотря на абстрактный характер построе- ния современной математики, для неё остаётся в силе определение, данное Энгельсом ’): «Чистая математика имеет своим объектом пространственные формы и количественные отношения действительного мира, стало быть — весьма реальный материал. Тот факт, что этот материал принимает чрезвычайно абстрактную форму, может лишь слабо зату- шевать его происхождение из внешнего мира». Понятие множеств, имеющих одинаковые свойства отношений между их элементами и поэтому неразличимых в рамках данной математической теории, получает точное выражение в следующем общем понятии изоморфизма: Определение 1. Два множества А1 и М', в каждом из ко- торых определены отношения элементов, образующие некоторую *) ф. Энгельс, Лити-Дюрипг, 1918, стр. 37.
122 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ систему отношений S, называются изоморфными (запись М М') относительно данной системы отношений (короче просто изо- морфными}, если между ними существует взаимно однозначное соответствие, сохраняющее все отношения системы S, т. е. та- кое, что если любые элементы М находятся в любом из отно- шений системы S, то соответствующие им элементы М' нахо- дятся в том же отношении, и обратно. Можно сказать, что аксиоматическая теория изучает множества лишь с точностью до изоморфизма относительно системы основных отношений данной теории. Понятие изоморфизма обладает, очевидно, тремя основными свой- ствами: 1) Мо^М, 2) если М АГ, то М М, 3) если М^М' и М'^.М", то М ~ М”. Например, в случае отсутствия каких-либо отношений (в случае, когда система отношений S’ есть пустое множество) определение 1 обращается в определение эквивалентности (§ 3), а в случае одного отношения «а предшествует Ь» при выполнении соответствующих аксиом — в отношение подобия (§ 5). То, что понятие изоморфизма действительно выражает одинако- вость всех рассматриваемых свойств множеств, можно формулиро- вать в виде следующего общего положения: Если множества М и М' изоморфны относительно некоторой системы отношений S, то любое свойство множества М, форму- лированное в терминах отношений системы S (и, значит, и отно- шений, определяемых через отношения системы S’), переносится на множество М', и обратно. Разберём это положение на конкретном примере. Пусть в множествах М и ЛГ определено отношение «больше», и они изоморфны относительно этого отношения; тогда, если М упорядочено, т. е. если в М выполнены свойства 1) и 2) из § 5, то они выполнены и в М'. Докажем свойство 1). Пусть а' и Ь'—-элементы М' и а и b — соответствующие элементы М. В силу условия 1) в М выполнено одно из соотношений а = Ь, а^>Ь, Ь^>а. Отображение М на /И' сохраняет отношение «больше». Значит, выполнено одно из соот- ношений а' = Ь', а'^>Ь', Ь'^>а'. Если бы в М' выполнялось более одного из них, то из сохранения отношения «больше» при отобра- жении М' на М следовало бы выполнение более одного отношения для а и Ь, что противоречит условию 1). Докажем свойство 2). Если а'~^>Ь' и Ь'^>с', то также а~^>Ь и Ь^у>с. В самом деле, в М должно быть а~^>с. Значит, а'^>с'. Займёмся теперь изоморфизмом групп колец и полей. Ввиду того, что здесь отношения а-\-Ь = с и ab = c удовлетворяют дополни- тельным требованиям, что для любых а и b существует одно и
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 123 только одно с, для которого а-\-Ь — с или ab — c (эти дна требо- вания являются по существу двумя дополнительными аксиомами), причём эти требования предполагаются выполненными как в М, так и в М', определение изоморфизма групп колец и полей можно уп- ростить по сравнению с определением 1, а именно требовать сохра- нения основных отношений лишь при переходе от М к М'. Огра- ничиваясь случаем колец и полей, нужным в дальнейшем при опреде- лении числовых областей (случай групп отличается от рассмотренного лишь тем, что налицо одна операция вместо двух), получаем таким образом: Определение 2. Кольцо (или поле) R называется изоморф- ным кольцу (соответственно полю) R' (запись /? = /?'), если суще- ствует взаимно однозначное отображение R на R', при котором сумме и произведению любых элементов R соответствуют сумма и произведение соответствующих элементов R. Покажем, что это определение является частным случаем общего определения 1. Для этого надо лишь убедиться, что обратное ото- бражение R' на R также сохраняет сумму и произведение. Пусть в R' имеем: а'-]-Ь' — с', и элементам а', Ь', с'при обратном отобра- жении соответствуют а, Ь, с из R. Надо доказать, что а. ]- b = с. Но если a-\-b — dz£c, то из определения 2 следовало бы а'-]-Ь' — — d'z^c', что противоречит однозначности операции сложе- ния в R'. В последнем рассуждении мы не пользовались аксиомами кольца 1 — VI. Поэтому определение 2 дословно переносится на любые множества, в каждом из которых задано две алгебраические опера- ции — сложение и умножение. Теорема 1. Пусть R и R' — множества, в каждом из кото- рых определены операции сложения и умножения. Пусть R изо- морфно R' (в смысле определения 2). Тогда, если R есть кольцо (или поле), то и R' будет кольцом (соответственно полем). Доказательство. Достаточно убедиться в справедливости для R' аксиом I — VI или I — VIII (§ 7, определение 1 и § 8, опреде- ление 1). Во всех случаях (кроме аксиомы VIII, где доказательство очевидно) рассуждение совершенно одинаково. Докажем, например, аксиому III. Пусть а' и Ь' — элементы R и а и b — их прообразы в R. Так как в R аксиома III выполнена, то существует элемент с f R такой, что а с — Ь. Если с—>с', то в силу изоморфизма также а'-Ь-с=Ь', т. е. с' есть решение уравнения а' -ф- х' = Ь'. Значит, R' также обладает свойством III. Читателю рекомендуется доказать справедливость в R остальных аксиом. Вместе с основными свойствами при изоморфизме сохраняются и все другие свойства, являющиеся следствиями основных. Так, при изоморфизме колец R и /?' нулю R соответствует нуль R', и если R содержит единицу, то и R' содержит единицу, причём она соот- ветствует единице из R. В самом деле, из с-|-О = а в R следует
124 ПОНЯТИЯ МНОЖЕ^ТЗХ, ГРУППЫ, кольцх и ПОЛЯ а' -{-О' —а в R' и из а 1 = « в R следует а Г —а' в R' дчя лобого элемента а' из R'. Большое значение при построении числовых полей будет иметь следующая, почти очевидная: Теорема 2. Пусть R — подкольцо кольца S и R' — кольцо, изоморфное R и не имеющее общих элементов с S. Тогда для лю- бого данного изоморфного отображения f кольца R на R' суще- ствует кольцо S', содержащее в качестве подкольца R' и изоморф- ное кольцу S, причём существует изоморфное отображение g кольца S на S', совпадающее на R с данным отображением f, т. е. такое, что g(a)—f(a) для любого элемента а из R. Если S — поле, то и S' будет полем. Если R — подполе S, то и R' — под- поле S'. Доказательство. Пусть 5' — множество, полученное из S путём замены элементов R на элементы R', т. е. S’==(S\/?) Строим такое отображение g множества S на 5: если a(S\/?, то положим g(a) = a-, еслиаС/?, то положим g(a)=f (а), где f(a)— элемент R', соответствующий а при данном изоморфизме /. Так как f—взаимно очнозначное отображение R на R', g—- взаимно однозначное отображение S\/? на себя и множества S и R' не имеют общих элементов (достаточно даже, чтобы S \ R и R' не имели общих элементов), то g является взаимно однозначным отображением 5 на S'. Операции сложения и умножения в S' определим через операции в S путём перенесения их з S' с помощью отображения g, т. е. положим Д(а) + £ (b)=g(a -ф b), g (a) g (b) = g (ab) (1) для любых элементов а и b из S. Так как в силу взаимной одно- значности отображения g для ^любого а' из S существует очин и только один элемент а из S такой, что g(a) — a', то g(a) и g(b)— любые элементы S', и равенства (1) действительно определяют алге- браические операции в S'. Одновременно равенства (1) показывают, что относительно сло- жения и умножения S' изоморфно S и по предыдущей теореме S — кольцо. Если S—поле, то и S' — поле. Покажем, что операции в S' для элементов R' совпадают с опе- рациями, заданными в кольце R'. Так как f — изоморфное отобра- жение R на R', то справедливы равенства /(«) + / (a -]-b), f(a)f(b)=f(ab) (2) д чя любых а и b из R. Но если в (1) g(a) и g(b) принадлежат R', то а, Ь, а -\-Ь и ab принадлежат R, и но построению отображения g равенства (1) со-
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 125 вкатают с равенствами (2), где сложение и умножение в левых частях означают операции, заданные в кольце R'. Этим указанное совпадение операций доказано. Значит, /?—подкольцо У. Если R—- подполе X, то по предыдущей теореме /?' — также поле, т. е. под- поле 6’. Теорема доказана. § 10. Расположенные кольца и поля До сих пор мы рассматривали либо множества без всяких отно- шений между элементами (§ 1—4), либо множества с одним отно- шением порядка (§ 5), либо множества с одной или двумя алгебраи- ческими операциями (§ 6—9). Однако важнейшую роль в матема- тике играют числовые множества, где существуют одновременно и отношения порядка и операции. Мы рассмотрим упорядоченные кольца и поля с целесообразной связью порядка и операций. С отношением порядка в кольце связаны понятия положитель- ности, отрицательности и абсолютной величины элементов (см. § 7, определения 1 и 3). Наличие операций позволяет несколько упростить введение по- рядка в кольце. Оказывается достаточным задать лишь порядок всех элементов относительно нуля. Далее, для сохранения обычных свойств чисел приходится наложить дополнительные требования на связь порядка с операциями. Именно: Определение 1. .Кольцо (в частности, поле) R называется расположенным, если для его элементов определено свойство быть положительным, удовлетворяющее следующим требованиям'. IX. Для любого элемента а ( R имеет место одно и только одно из трёх соотношений', а — 0, а положителен, —а положи- телен. X. Если а и b положительны, то а-\-Ь и ab также положи- тельны. Если —а положителен, то а называется отрицательным. Теорема 1. Если в расположенном кольце R определить порядок, считая а'Д>Ь тогда и только тогда, когда элемент а — b положителен, то R будет упорядоченным множеством (в смысле § 5), причём нуль будет меньше всех положительных и больше всех отрицательных элементов. Доказательство. Пусть а и b— элементы R. Если а—b =0, то а = Ь, если а — b положителен, то а"Д>Ъ, если —(а — Ъ) = Ъ— а положителен, то Ь^>а. Из свойства IX следует, что имеет место один и только один из этих трёх случаев (§ 5, свойство 1). Далее, если а^>Ь и Ь^>с, то а — b и b — с положительны. По свойству X тогда (а — b)-\-(b— с) = а — с положителен, т. е. с^>с (§ 5, свой- ство II). Итак, R — упорядоченное множество. Если а положителен, то из а —а — 0 следует а^>0; если а отрицателен, го из —а = 0 — а следует 03>а, а<^0.
126 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и поая Эга теорема показывает, что условия IX и X достаточны для введения порядка в /?, причём X даёт обычную для чисел связь порядка с операциями кольца. Теорема 2. (Законы монотонности для сложения и умножения.) Для любых элементов а, Ь, с расположенного кольца R из а) а>Ь, а — Ь, а<^Ь следует соответственно б) а а с — Ь -\-с, а-\- с<^Ь-\-с и при t\>0 соот- ветственно в) ас~Д>Ьс, ac = bc, ас<^Ьс, а при с<^0 — соответ- ственно-. г) ас <ф Ьс, ас = Ьс, ас ~Д> Ьс. Доказательство. Если а^>Ь, то (а -]- с) — (b-j-c)=a — Ь О, т. е. а-\-с~Д>Ь-\-с. Если а — Ь, то ас — Ьс по однозначности сло- жения. Если а<^Ь, то Ь^Д>а, и по первому случаю Ь с 2> a -j- с, а с <ф b |~ с. Случай б) доказан. Если а~Д>Ь, с^>0, то а — Ь^>0, и по условию X (а — Ь)с — ас — Ьс ^>0, ас ф> Ьс. Если с<^0, то —с^>0, и по правилу знаков при умножении [§ 7, формула (3)] имеем: Ьс — ас — (Ь — а) с — [— (Ь — а)] (— с) — (а — Ь) (— с) ф> 0, Ьс ас, ас <ф Ьс. Итак, оба первых случая в) и г) доказаны. Остальные случаи вытекают из первых дословно, как при доказательстве б). Справедливы также обратные теоремы, а именно: Теорема 3. Из а-\-с^>Ь с, a-j- с — Ь -j-c, а -ф-с<фЬ 4~с следует соответственно а^>Ь, а — Ь, а<^Ь. Из ас ф> Ьс, ас — Ьс, ас Ьс следует при с^>0 соответственно а^>Ь, а — Ь, а<^Ь, а при с <4 0 — соответственно а<^Ь, а — Ь, а~Д>Ь.
ГР1ППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 127 Доказательство. В теореме 2 посылки а) обладают тем свойством, что одна (и только одна, что сейчас неважно) из них наверное имеет место, а следствия [в каждом случае б), в), г) отдельно] — тем свойством, что они взаимно исключают друг друга. Для теорем такого рода обратные теоремы всегда верны, причём их можно доказать методом «от противного». Докажем, например, что из ас — Ьс следует а = Ь при с^>0. Предположим противное, что а^Ь. Тогда имеет место какая-то из других посылок а) тео- ремы 2. Но если а^>Ь, то по теореме 2 ас^>Ьс, если же а<^Ь, то ас<^Ьс, что невозможно ввиду ас = Ьс, чем исключаются нера- венства ас^>Ьс и ас<^Ьс. Следствие 1. В расположенном кольце из а) а — bfptc — d следует соответственно б) а -]— d b —|- с, . и обратно. В самом деле, прибавляя к обеим частям а) сумму b-^d, полу- чим б). Обратные теоремы верны, так как в а) и б) исчерпаны все случаи и они исключают друг друга. Следствие 2. В расположенном поле при bd^>0 из а) Ь =<- d следует соответственно б) ad be, и обратно. Доказательство аналогично предыдущему. Из теоремы 2 вытекают обычные для чисел правила действий! с неравенствами. А именно: Теорема 4. Из а^>Ь и c^>d следует а -С с b -|- d и, если все элементы a, b, с, d положительны, то ac^y>bd, если же все они отрицательны, то ac<^bd. Верна также теорема, получаю- щаяся из данной, если знаки 4> и поменять местами. Доказательство. По теореме 2 из а b следует а -|- + с 4>b с, из c~^>d следует bс ~^>Ь у-d, откуда а 4 c>b-\-d. Точно так же доказывается, что при положительных a, b, с, d будет ac^>bd. Пусть a, b, с, d отрицательны. Тогда из а^>Ь сле- дует ас<^Ьс и из c^>d следует bc<^bd, откуда ac<^bd. Как следствие из теоремы 3 получаем: Теорема 5. Расположенное кольцо не имеет делителей нуля (§ 7, определение 2). Доказательство. Пусть ab — O. Тогда а£ = а-0 и по теореме 3 при а =4 0, т. е. а 0 или а <4 0, должно быть b = 0.
128 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЧЬЦА и ПОЛЯ Теорема 6. Характеристика (см. § 8, определение 2) рас- положенного поля Р равна нулю. Доказательство. Пусть а 0, а (Р. Если а^>0, то ио свойству X для любого натурального п также /гд2>0, а так как (—л)а =— па, то па 0 при любом целом п. Если а<^0, то — я^>0 и п (—а) ф 0, при любом целом п. Значит, па ф 0, если а -р- 0 и п ф 0. Теорема 7. Сумма квадратов (и, в частности, всякий квад- рат) конечного числа элементов расположенного кольца больше или равна нулю, причём равенство может иметь место лишь в том случае, когда все данные элементы равны нулю. Доказательство. Для одного элемента, если aj=O, то а? — 0. Если же ах ф 0, то или я( 0, или — я, 2> 0 и тогда я? = ata, = (— nJ (— at) 0. Для п—1 теорема верна. Пусть она верна для п элементов. Тогда Л f-1 п « jtoJ 1 i---l i=l как сумма неотрицательных слагаемых (см. свойство X). Если одно из двух слагаемых ^>0, то и сумма их ^>0. Значит, в случае ра- венства нулю оба слагаемых равны нулю, т. е. п У а] = 0 и а„ +1 — 0. i 1 Отсюда по доказанному ап1 (= 0 и по предположению индукции at—a2=. . ,—ап—0. Определение 2. Абсолютной, величиной элемента а рас- положенного кольца (и, в частности, поля) называется неотри- цательный из элементов а и — а. Абсолютная величина элемента а обозначается через а'. Согласно этому 101 — 0 и при а 0 всегда | а ) 2> 0. Теорема 8. Абсолютная величина суммы конечного числа эле центов меньше или равна сумме абсолютных величин слагае- мых. При этом, равенство имеет место тогда и только тогда, когда все слагаемые неположительны или все неотрицательны. Абсолютная величина произведения конечного числа элементов равна произведению абсолютных величин сомножителей. Доказательство. Ограничимся случаем двух элементов, так как проведение индукции не представляет затруднений. Итак, надо доказать, чго
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 129 причём равенство имеет место тогда и только тогда, когда либо a^Q, Ь^О, либо а =£5 О, Ь^О, а также доказать, то |а£| = |а| • |£|. (2) Если а^О и Ь^О, то также а-|-£^0 и |«+^|=«+^=1аи- - м Если а^О и Ь^О, то —aS=O, —Ь^О и -(а + />) = (-«) + (-^0, откуда |а + ^| = -(а + О = (-«)+(-^) = 1«! + 'й|. Итак, в этих двух случаях (1) имеет место при знаке =. По симметрии а и b в (1) из двух оставшихся случаев с^>0, Ь<^0 и а<^0, Ь^>0 достаточно разобрать лишь первый. По теореме 2, прибавляя а к неравенству Ь<^—Ь, получим: « + ^<а + (— ^) = |о| + |&|. Точно так же, прибавляя — b к неравенству — а<^а, получим: — (« + ^)=(— «) + (— £)О+(— О=И + |Н Но | а -1- b | совпадает либо с а-\-Ь, либо с —(a -j-/’). Поэтому |а + *КН + И- Итак, в этих двух случаях (1) имеет место при знаке <5 Равенство (2), очевидно, выполнено, если хотя бы один из эле- ментов а, b равен нулю. Остаётся разобрать три случая: 1) а^>0, Ь^>0. По свойству X ab^> 0 и | ab \ = ab = | а1 - | b !. 2) я<\0, Ь<^0, —а^>0, —Ь^>0, (—а)(—Ь)^>0 и по пра- вилу знаков (3) из § 7 = «)(—^)| = (—«)(—^) = |«] - 3) а>0, Ь<^0, —£>0, с(— £)>0, | ab | = | — ab | -- | а (— Ь)\ — а (— Ь) = | а | • j b |. Из неравенства (1) следует | |а|-|^1 |=s|a±/>|=^H + IN (3) для любых элементов а и b расположенного кольца R. В самом деле, так как аД-Ь — а— (—Ь) и |£| = |— то достаточно 9 Энциклопедия, ни. 1.
130 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ доказать (3) для случая разности а — Ь. Но из с = (а — b)-\-b и b = (b — a)-\-a по (1) найдём: |а|а£|а— b 11 | b | =£ | b — а | -1-1 а | = | а —Z> ] Ц— | л , откуда |а|— | b | =£ ’ а — Ь\ и |£| — ; а [ | а — Ь\; поэтому | Н — — | = |аН-(— />Ж|аЦ-|И Замечание. Точно так же известные из элементарной алгебры правила сравнения и действий над «относительными числами» через сравнение и действия над их абсолютными величинами остаются справедливыми для любого расположенного кольца /?. Именно, положительный элемент кольца больше отрицатель- ного, что ясно из сравнения с нулём. Из двух положительных эле- ментов тот больше, абсолютная величина которого больше, ибо положительные элементы совпадают с их абсолютными величинами. Из двух отрицательных элементов тот больше, абсолютная величина которого меньше. В самом деле, если а и b отрицательны, то а — Ь = (— Ь) — (— а) = | b | — । а | и поэтому а b тогда и только тогда, когда | а | | b |. Если по симметрии с обозначением элемента, противоположного а, через —а обозначить сам элемент а через -|-л, то каждый элемент можно выразить через его абсолютную величину так: c=zE| а |, где знак -j- берётся для положительного и — для от- рицательного элемента а. В этом смысле можно говорить о знаке данного элемента. Тогда имеют место следующие правила действий. Чтобы сложить два элемента одного знака, надо сложить их абсолютные величины и поставить тот знак, который имели слагае- мые. В самом деле, если а^>0 и Ь^>0, то эго очевидно; если же а<0 и /»<0, то |а|) + (—р|) = —(|а|4-|^|)- Чтобы сложить два элемента разных знаков, надо из большей абсолютной величины вычесть меньшую (при равенстве абсолютных величин сумма равна нулю) и поставить знак того слагаемого, у которого абсолютная величина больше. Пусть а^>0 и Ь<^0. Если j а |^> Ь\, то « + = с — (— = I a J —|6|). Если же | а KI b\, то Чтобы из одного элемента вычесть другой, надо к первому элементу прибавить элемент, противоположный второму. Это верно даже для любых колец.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ 131 Чтобы умножить (разделить) один элемент на другой, надо абсолютную величину первого элемента умножить (разделить) на абсолютную величину второго и поставить знак -J-, если знаки данных элементов одинаковы, и знак —, если различны. Для умно- жения это следует из правила знаков в любом кольце [§ 7, (3)], ибо ab = (± | а |) - (± | ^ |)» а для деления (если оно выполнимо) выводится отсюда так: если -?- = с, то a = bc, а | = | b | • | с |, от- Iа\ . . куда |7j = l4 При умножении на положительный элемент знак сохраняется, а на отрицательный — меняется. Поэтому из а — bc следует, что при одинаковых знаках а и b частное с положительно, а при раз- ных знаках отрицательно. Мы видим, таким образом, что обычные правила оперирования с неравенствами и абсолютными величинами верны не только для чисел, но и для элементов любых расположенных колец. Эти пра- вила являются следствием аксиом I —VI, IX и X. Есть, однако, одно важное свойство чисел, которое уже не пе- реносится на любые расположенные кольца. Это — выполнение так называемой аксиомы Архимеда, согласно которой, складывая само с собой любое данное положительное число (как бы мало оно ни было) достаточное число раз, мы можем получить число, превосходящее любое (сколь угодно большое) данное число. Поэтому кольца, обладающие аналогичным свойством, нуждаются в особом опреде- лении. Определение 3. Кольцо (в частности, поле) называется архимедовски расположенным, если оно обладает свойством'. XI. (А к с и о м а Архимеда.) Для любых элементов а и b кольца, где ЬД>0, существует натуральное число п такое, что пЬД>а. В случае поля достаточно выполнения этого условия лишь для единицы поля е, т. е. свойство XI эквивалентно свойству ХГ. Для любого элемента а поля существует натуральное число п такое, что пе~Д>а. Действительно, если Ь~Д>®, то существует натуральное число п, для которого пе~Д>-^-, и, умножая на Ь~Д>0, получим: пЬ~Д>а. Пример 1. Кольцо целых, поле рациональных и поле действи- тельных чисел архимедовски расположены (доказательства даны в соответствующих главах). Пример 2. Пусть R есть кольцо многочленов f (х) — а^ —atx —|— а~х^ -j— ... апхп с рациональными коэффициентами (при обычных операциях сложения
132 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ и умножения). Будем считать многочлен /(х) положительным, если его старший коэффициент ап положителен. Легко видеть, чго аксиомы IX и X определения (1) выполняются, т. е. R— располо- женное кольцо. Но хотя 1^>0, п 1 =п<^х при любом натураль- ном (даже при любом рациональном) и, так как х — п^>0. Значит, R— неархимедовски расположенное кольцо. Алгебраические дроби f(x\ вида - ; . , где /(х) и g(x) — многочлены кольца /?, образуют R\Х) поле Р. Читателю предлагается доказать, что поле Р будет распо- /(х) ложено, если дробь считать положительной, когда /(х) и g(x) имеют одинаковые знаки при указанном выше расположении R. Так как снова и-1<Гх, то Р—неархимедовски расположенное поле.
ГЛАВА III НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА § 11. Аксиомы натуральных чисел Аксиоматическое построение данной теории начинается (см. § 9) с перечисления основных отношений (принимаемых без определения) и основных свойств или аксиом (принимаемых без доказательства), которым удовлетворяют данные отношения. При аксиоматическом построении натуральных чисел вводится одно основное отношение и четыре аксиомы, а именно: Определение 1. Натуральными числами называются эле- менты всякого непустого множества N, в котором для некото- рых элементов а, b существует отношение *Ь следует за а» (число, следующее за а, будем обозначать через а')> удовлетворяю- щее следующим аксиомам'. I. Существует число 1, не следующее ни за каким числом, т. е. а! ф 1 для любого числа а ’). II. Для любого числа а существует следующее число а' и при- том только одно, т. е. из а = Ь следует а' = Ь'. III. Любое число следует не более чем за одним числом, т. е. из а' — Ь' следует а = Ъ. IV. (Аксиома индукции.) Любое множество 7И натураль- ных чисел, обладающее свойствами'. А) 1 принадлежит М, Б) если число а принадлежит. М, то следующее число а' также принадлежит М, содержит все натуральные числа, т. е. совпадает с N- Приведённая здесь аксиоматика натуральных чисел представляет собой лишь несущественное изменение системы аксиом, предложен- ной в 1891 г. итальянским математиком и логиком Пеано. Может показаться, что наше определение натуральных чисел плохо тем, что согласно ему натуральными числами называются *) Как всегда, знак — обозначает совпадение, а знак — различие эле- ментов множества.
134 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ элементы всякого множества N, обладающего неречисленными свойствами. Действительно, возможны различные множества, удовлетворяю- щие определению 1, но все они изоморфны относительно основного отношения «Ь следует за а» (см. определение 1 из § 9) и поэтому обладают совершенно одинаковыми свойствами, касающимися этого отношения, если только эти свойства вытекают из аксиом I — IV. Отложив до конца главы (§ 17) доказательство упомянутого изоморфизма и другие вопросы, касающиеся самой системы аксиом, займёмся теми следствиями, которые из неё проистекают. Поясним, прежде всего, смысл аксиомы индукции. Обычное до- казательство по индукции состоит в следующем. Пусть надо дока- зать некоторую теорему, в формулировке которой участвует нату- ральное число п (как, например, в формуле бинома Ньютона). Тогда доказывают эту теорему, во-первых, для л=Ги, во-вторых, для числа п-1~ 1, предполагая, что она верна для числа л. После этого теорема считается доказанной для любого числа л. То, что теорема действительно доказана для любого л, обычно обосновы- вается так: теорема верна для 1, а значит, и для 2, раз она верна для 2, значит, верна и для 3; раз для 3, значит, и для 4 и т. д. Но что значит это «и т. д.»? Можем ли мы, рассуждая так, пере- брать все натуральные числа? Разумеется, нет, так как этих чисел бесконечно много. Аксиома индукции IV и служит как раз формаль- ным средством доказательства такого рода теорем сразу для всей бесконечной совокупности натуральных чисел. А именно, верна такая теорема: Теорема 1. (Теорема о законности индуктивных доказательств.) Если некоторая теорема Т, формулировка которой, содержит натуральное число п, доказана для числа 1 и в предположении, что она верна для числа л, доказана для следующего числа п ’), то эта теорема верна для любого числа п. Доказательство. Пусть /И есть множество тех натураль- ных чисел, для которых верна рассматриваемая теорема Т. Тогда А) число 1 входит в М, так как для 1 теорема Т доказана; Б) пусть число л принадлежит М; это значит, для числа л тео- рема Т верна. Но в таком случае теорема Т доказана, т. е. также верна и для следующего числа п, а это значит, что число л' также принадлежит М. Итак, множество М обладает свойствами А) и Б) аксиомы IV. В силу этой аксиомы оно должно содержать все на- туральные числа, что означает (по самому определению множества М), что теорема Т верна для любого натурального числа л. Этим тео- рема 1 доказана. *) Для того чтобы считать п' = п 1, надо ещё определить сложение натуральных чисел.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 135 Определение 2. Если b следует за а, то говорят, что а предшествует Ъ. Согласно аксиоме I число 1 не имеет предшествующего. Но это—единственное число с таким свойством. Теорема 2. Любое число а 1 имеет предшествующее число и притом только одно. Доказательство. Пусть М — множество, содержащее 1 и все числа, имеющие хотя бы рдно предшествующее число. А) 1 принадлежит /И, Б) если а принадлежит М, то и а' также принадлежит Д4, ибо а' имеет предшествующее число а (предполо- жение, что а принадлежит 7И, здесь даже излишне). По аксиоме IV М содержит все числа. Значит, любое число а ф 1 имеет по край- ней мере одно предшествующее. Единственность предшествующего числа следует из аксиомы III, согласно которой любое число имеет не более одного предшествующего. Теорема 3. Если числа, следующие за данным и числа- ми, различны, то и данные числа различны, т. е. из а' Ь' сле- дует а уЬ Ь. Доказательство. По аксиоме II из а = Ь следует а' = Ь'. Теорема 4. Если данные числа различны, то и следующие за ними различны, т. е. из ауЬ b следует а' Ь'. Доказательство. По аксиоме III из а' = Ь' следует а — Ь. Теорема 5. Любое число отлично от следующего за ним числа, т. е. а у^ а' для любого а. Доказательство. Пусть М — множество чисел, для которых теорема верна. А) По аксиоме I Г 1. Следовательно, 1 принадлежит 7И. Б) Если а принадлежит М, то а' а. Значит, по теореме 4 также (а')' у^ а', т. е. а' принадлежит М. По аксиоме IV М содер- жит все числа, т. е. а уЬ а для любого а. § 12. Сложение Определение. Сложением натуральных чисел называется такое соответствие, которое с каждой парой натуральных чисел а и b сопоставляет одно и только одно натуральное число а-у-Ь, обладающее следующими свойствами: 1) а 1 = а' для любого а, 2) а Ь' = (а 4- Ь)' для любых а и Ъ. Числа а и b называются слагаемыми, а число а-\-Ь — суммой *). Сразу возникает вопрос, существует ли такое соответствие, и если да, то будет ли оно единственным. Приведённое определение является примером так называемого индуктивного определения. Пусть ]) Сложение является, таким образом, частным случаем более общего понятия алгебраической операции (см. § 6, определение 1) или ещё более общего понятия функции (см. § 3, определение 1).
136 N ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ выбрано определённое число а. Тогда условия 1) и 2) определяют число a -f- 1 и число а -|~ Ь', если уже определено число а Ь. Поэтому на основании аксиомы индукции IV можно, казалось бы, считать число а-\-Ь определённым для любого Ь, а так как а выби- ралось произвольно, то и для любых а и Ь. Так полагали автор аксиоматики натуральных чисел Пеано и его ученики. Такое изло- жение принято в большинстве математических книг. Однако в этом рассуждении имеется ошибка. В самом деле, каждый раз, применяя аксиому индукции, мы должны вполне точным образом определить то множество М, для которого надо доказать свойства' А) и Б). В доказанной выше теореме 1 (§11) множество М состоит из тех натуральных чисел, для которых верна некоторая теорема Т о натуральном числе п. Нам удалось. доказать, что это множество обладает свойствами А) и Б), что и доказывало теорему Т. Этим снимается то возражение, что при доказательстве теоремы Т для п -|~ 1 мы предполагаем её уже доказанной для п, хотя она ещё только доказывается. Мы пока и не пользуемся тем, что теорема Т верна для п, а доказываем лишь предложение в условной форме: «Если теорема Т верна для п, то она верна и для л-1-1», что соответствует условной форме свойства Б). Попробуем теперь выяснить, к какому множеству М надо при- менить аксиому IV в случае определения сложения? Можно ли сказать, что при выбранном а множество М состоит из тех Ь, для которых число а-\-Ь определено? Нельзя, потому что мы ещё только хотим доказать, что число а-\-Ь определено свойствами 1) и 2). В этом и состоит как раз отличие индуктивного определения от индуктивного доказательства, где множество М чисел, для кото- рых теорема Т верна, имеет вполне определённый смысл независимо от того, доказана эта теорема Т или нет. Слова «при данном а число а-\-Ь со свойствами 1) и 2) определено» имеют лишь такой точный смысл: «при данном а существует соответствие, сопостав- ляющее с числом b число а-\-Ь и обладающее свойствами 1) и 2)», но это утверждение касается не одного, а сразу всех чисел b и потому его нельзя доказать индукцией по b простой ссылкой на свойства 1) и 2). Зато это утверждение касается одного определён-, ного числа а, и можно пытаться доказать его индукцией по а (что и будет сделано ниже). Заметим, что мы утверждаем ошибочность доказательства индукцией по b того, что условия 1) и 2) опреде- ляют число а -|- Ь, но отнюдь не ошибочность самого этого утверж- дения. Индуктивные определения законны, что можно доказать, опи- раясь только на понятие о порядке натуральных чисел (см. § 15). Понятие же порядка будет нами введено (см. § 14) на основе сло- жения. Таким образом, вопрос о существовании сложения прихо- дится решать иным путём. Теорема 1. Сложение натуральных чисел существует и притом только одно, т. е. существует одно и только одно соот-
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 137 ветствие, сопоставляющее с любыми числами а и b число а-\-Ь так, что 1) а -1- 1 = а' для любого а, 2) a -j- b' = (а Ь)' для любых а и Ь. Иными словами, сложе- ние всегда выполнимо и однозначно. Доказательство, а) Сначала докажем, что при данном а существует не более чем одно соответствие, сопоставляющее с каж- дым числом b число хь и обладающее свойствами: Xi = a', хь>=(х6)’ для любого Ь. Пусть уь— любое соответствие с теми же свойствами, т. е. yt — а, уь’ = (_УЬ)' для любого Ь. Пусть М — множество тех чисел Ь, для которых хь=уь. A) x1 = a'=_yI; 1 принадлежит М. Б) Если b принадлежит М, то хь=уь, значит, по аксиоме II (хьУ = (уьУ, следовательно, х& =(хь)'=(уь)'=ybi, т. е. Ь' принад- лежит Л4. По аксиоме IV М содержит все натуральные числа, т. е. хь=уь для любого Ь. Единственность сложения доказана при дан- ном а. Но по произвольности а она доказана для любых а и Ь. б) Покажем теперь, что при данном а существует [и согласно а) только одно] соответствие, сопоставляющее с каждым b число а-\-Ь и обладающее свойствами: а-1-1= а', а Ь' = (а Ь)' для любого b (при данном а). Пусть М — множество тех чисел а, для которых такое соответствие существует [и по а) только одно]. А) При а = 1 положим для любого Ь, что а -\-b = b'. Это соот- ветствие обладает нужными свойствами, так как а -|- 1 = 1' = а', а-\-Ь' = (Ь')' = (а-]-#)'. Значит, 1 принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то число a -j- Ь определено и обладает свойствами: а-\-1=а', a -J- Ь' = (а Ь)'. Числу b поставим в соот- ветствие число a' -J- b = (а -]~ Ь)'. Это соответствие обладает нужными свойствами для а', так как а' + 1 = (а + 1)' = (а'У, а' -]- Ь' = (а -]- Ь')' = [(а -]- £)']' = (а' -]- Ь)\ Значит, число а' принадлежит М. По аксиоме IV М содержит все натуральные числа, т. е. для любого а существует соответствие, сопоставляющее с каждым b число а -]- Ь и обладающее свойствами а-\-1=а', а -]- Ь' = (а -]- Ь)' для данного а и любого Ь. Но число а является произвольным. Следовательно, доказано существование и единственность соответ- ствия, сопоставляющего с любыми а и b число а-\-Ь и обладающее свойствами 1) и 2). Теорема доказана. Теорема 2. (Закон ассоциативности сложения.) (а-|-6)-]-с = а-Н6 4-с).
138 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Доказательство. Пусть выбраны числа а и b и пусть М — множество тех чисел с, для которых равенство справедливо. A) (a + 6)-Ul=(a4-*)' = a-U*' = a4-(6 + l); 1 принадлежит М. Б) Если с принадлежит М, то (а -1- Ь) -1- с = = а -|- (Ь с), откуда (а + г,) + С' = [(а+6) + С]' = [С + (й4-С)]' = й + (й-1-С)' = = а Ц- (Ь Ц- с'), т. е. с' принадлежит М. По аксиоме IV равенство (аЦ-й) -}-с = = а (Ь -|- с) справедливо для любых а, b и с. Теорема 3. (Закон коммутативности сложения.) а —|— b b—J- G. Доказательство, а) Докажем, что а1 = 1 4 -а индукцией по а. Пусть М — множество тех а, для которых это верно. А) 1, очевидно, принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то a -f- 1 = = 1 Ц-а. Тогда а'4-1=(о4-1)4-1=(14'а)_Ь1==(^Ч_а)'= т. е. а принадлежит /И. По аксиоме IV доказано, что а 1 = 1 Ц- а.. б) Докажем индукцией по Ь, что а b = b Ц- а- Пусть М— множество тех Ь, для которых это верно при данном а. А) По доказанному в а) 1 принадлежит М. Б) Если b принадлежит М, то a-\-b = b-\~a. Тогда, используя теорему 2, находим: а Ь' = (а -|- Ь)' = (Z>-|- а)' = b Ц- а' — b (а -(- 1) = b (1 4 а) = = (*+ 1)4-а = £'4-а, т. е. Ь' принадлежит М. По аксиоме IV теорема доказана. Теорема 4. а-\-Ь ДЬ. Доказательство. Теорема верна для Ь=1, ибо а-|-1 = = а'у^1 по аксиоме I. Если a-\-bj^b, то по теореме 4 из § 11 также а -|- Ь' = (а Ь)' ф Ь'. Теорема 5. Для любых чисел а и b имеет место один и только один из случаев-. 1) а = Ь\ 2) существует число k такое, что a = b-\-k\ 3) существует число I такое, что Ь = а-\-1. Доказательство. Из теоремы 4 следует, что имеет место не более чем один из этих случаев, так как, очевидно, 1) и 2), а также 1) и 3) не могут Иметь места одновременно. Если бы имели место 2) и 3), то a=bk = (а Г)k = а (J.k),
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 139 что снова противоречит теореме 4. Докажем, что хотя бы один из этих случаев всегда имеет место. Пусть выбрано число а, и М — множество тех Ь, для каждого из которых при данном а имеет место 1), 2) или 3). А) Если а=1, то имеем случай 1) для b — 1. Если 1, то по теореме 2 из § 11 a—k'—k -\- 1 = 1 -|-А, т. е. имеем случай 2) для Ь — 1. Итак, 1 принадлежит М. Б) Пусть b принадлежит М. Тогда или а — Ь, и следовательно, b'=b-\-1 = а-|-1, т. е. случай 3) для Ь'\ или a = b k, и если k=l, то а = Ь - 1 = Ь', т. е. случай 1) для Ь'-, если же k ф 1, то k=m’ и а^= Ь Ц-т' = b -|-(т -|- 1)й -[- (1 4“ т) = (Ь -{- 1) -|-т — Ь' -j-т, т. е. случай 2) для Ь'; или Ь—а-\-1 и Ь' = (а -}-/)'= а 4-/', т. е. случай 3) для Ь'. Во всех случаях Ь' принадлежит М. Теорема доказана. Пользуясь этой теоремой, можно было бы уже теперь дать опре- деление порядка и доказать основные его свойства (см. § 14), но мы рассмотрим сначала свойства умножения, чтобы затем сразу рассмотреть связь понятия порядка с обеими основными операциями. Задача. Определив натуральные числа 2=1', 3 = 2', 4 = 3', 5 = 4', 6 = 5', доказать на основании определения суммы, что l-f-l=2, 14-2 = 3, 24-2 = 4, 24-3 = 5, 24-4 = 3-|-3 = 6. § 13. Умножение Определение. Умножением натуральных чисел называется такое соответствие, которое с каждой парой натуральных чисел а и Ь сопоставляет одно и только одно натуральное число ab (или а • Ь или а X Ь), обладающее следующими свойствами-. 1) а • 1 = а для любого а; 2) ab' = ab-]-a для любых а и Ь. Чпело а называется множимым, Ь — множителем, оба числа а и b называются также сомножителями, а число ab — произ- ведением. На первый взгляд может показаться странным, зачем давать это индуктивное определение, вместо того чтобы остаться при всем известном школьном определении произведения ab как суммы Ь слагаемых, каждое из которых равно множимому а. Но что означает выражение «Ь слагаемых», где Ь выступает в роли количествен- ного числительного? Количество слагаемых имеет лишь один точный смысл, именно, — это мощность некоторого множества
140 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ (см. § 3, определение 4). Правда, для конечных множеств (с кото- рыми мы и имеем дело при определении умножения) мы дали другое определение «числа элементов» (см. § 4, определение 3) и доказали, что оно совместимо с понятием числа элементов как мощности множества, но мы существенно использовали при этом понятие отрезка |1,л| натурального ряда как множества натуральных чисел, не превосходящих п. Это понятие предполагает уже установлен- ным порядок во множестве натуральных чисел; правда, мы могли бы определить порядок до умножения и установить с помощью определения 3 из § 4 соответствие, позволяющее отождествить натуральные числа с мощностями конечных множеств. Это дало бы натуральным числам количественный характер. Однако арифметика натуральных чисел в этом не нуждается. Всю её можно построить, не используя понятия о мощности, а лишь на основе определения 1. Построенные таким путём натуральные числа называют порядко- выми числами в отличие от мощностей, называемых количествен- ными числами. Для того чтобы теория натуральных чисел не осталась пустой логической игрой, а стала тем основным орудием практической дея- тельности человека, которым она на самом деле является, необхо- димо установить соответствие между мощностями конечных множеств и независимо от них построенными порядковыми натуральными числами, придав им тем самым количественный смысл. В этом и состойт значение определения 3 и теоремы 2, на которой оно осно- вано, приведённых в § 4. Относительно определения умножения сохраняют силу все заме- чания, которые были сделаны в предыдущем параграфе по поводу определения сложения. В частности, из него ещё неясно, что соот- ветствие с этими свойствами существует. Поэтому большое прин- ципиальное значение имеет следующая теорема, аналогичная теоре- ме 1 из § 12. Теорема 1. Умножение натуральных чисел существует и притом только одно. Иными словами, умножение всегда выпол- нимо и однозначно. Доказательство, а) Сначала докажем, что при данном а существует не более чем одно соответствие, сопоставляющее с каж- дым числом b число хь и обладающее свойствами xt = а, хь> =хь -|-а для любого Ь. Пусть уь—любое соответствие с теми же свой- ствами и М — множество тех Ь, для которых хь —уь. A) xt=a=yt; 1 принадлежит Л1. Б) Если b принадлежит /И, то хь> =xb-j-a=yb-j- а=уь>; Ь' принадлежит М. По аксиоме IV хь — уь для любого Ь. Единственность умножения доказана при данном а, а по произвольности а она доказана для любых а и Ь. б) Покажем теперь, что при данном а существует [и согласно а) только одно] соответствие, сопоставляющее с каждым b число ab и обладающее свойствами а • 1 = a, ab' = ab -J- а для любого b (при
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 141 данном а). Щсгь М — множество тех чисел а, для которых такое соответствие существует [и по а) только одно]. А) При а—1 положим для любого Ь, что ab = b. Это соответ- ствие обладает нужными свойствами, так как а • 1 = 1 = a, ab' = Ь' = Ь 4~ 1 =ab -]- а\ 1 принадлежит М. Б) Если а принадлежит 7И, то любому b соответствует ab, при- чём а-1—d, ab' = ab-\-a. Для а' строим такое соответствие: числу b соответствует число а' • b — ab-\-b. Оно обладает нужными свойствами, так как а' • I = а • 1 -1- I = а -]- 1 = а', d • b' - ab' -J- b' = (ab a) 4“ b' = ab (а 4" d) = ab-{-(a-{- Ь)' = = ab -]- (Ь 4- а)' = ab 4~ (b 4~ а') = (ab -\-b)-\-d =а' b-\-d", а принадлежит М. Соответствие с нужными свойствами построе- но при любом а для каждого Ь, т. е. для любых а и Ь. Теорема доказана. Теорема 2. (Правый закон дистрибутивности.) (а 4* Ь) с = ас 4- Ьс. Доказательство. Для данных а и b применим индукцию по с. А) (а4"^) • 1 = а-}-Ь = а • 1 -\-Ь • 1. Дляс=1 теорема верна. Б) Если теорема верна для с, то (а-\-b)c — ac-\-bc. Используя ассоциативность и коммутативность сложения, находим: (а 4- Ь) с = (а 4- Ь) с 4~ (а 4" Ь) = (ас -j- be) 4~ (а 4" = = (ас 4- а) 4- (Ьс 4“ Ь) = ас' 4~ Ьс', т. е. теорема верна и для с'. По аксиоме IV теорема доказана. Теорема 3. (Закон коммутативности умножения.) ab = Ьа. Доказательство, а) Индукцией по b докажем теорему при а=1, т. е. I • b = b • 1; Л!— множество b с этим свойством. А) 1 принадлежит М. Б) Если 1 • b — b • 1, то 1 .Ь'=Л -b-{-b = b- l-\-l=b-[-l=b' = b' • 1; b' принадлежит М. б) Индукцией по а докажем, что ab = ba при данном b‘, М — множество а с ab — ba. А) Согласно а) 1 принадлежит М.
142 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Б) Если а принадлежит М, то ab — ba. Тогда, используя пре- дыдущую теорему, найдём: а' • b = (а 4- 1) b — ab -j- 1 • b - ba -|- b • 1 = Ьа 4* b = Ьа'; а' принадлежит М. Теорема 4. (Левый закон дистрибутивности.) с (а 4- Ь) = са 4- cb. Доказательство следует из теорем 2 и 3. Теорема 5. (Закон ассоциативности умножения.) (ab)c — a(bc). Доказательство. Пусть даны а и b; М — множество тех с, для которых равенство имеет место. A) (ab) • \=ab — а (Ь • 1); 1 принадлежит М. Б) Если с принадлежит М, то (ab)c — а (be). Тогда, используя теорему 4, найдём: (ab) с' = (ab) с ab — a (be) -\~ab = a (be -\-b) = a (be); с' принадлежит М. Теорема доказана. Задача. Определив попрежнему 2 —Г, 3 = 2', 4 — 3', ..., до- казать равенство 2-2 = 4, 3-2 = 6. § 14. Порядок При определении натуральных чисел (§ 11, определение 1) мы исходили из одного основного отношения «Ь следует за а». Уже сам выбор слова «следует» указывает на связь этого основного от- ношения с понятием порядка, введённым в § 5 для любых множеств. Правда, аксиомы II и III показывают, что отношение «следует» для чисел отличается от одноимённого отношения порядка. Оно связы- вает каждый элемент лишь с двумя «соседними», так как по аксиоме II за каждым числом следует только одно, а по аксиоме III каждое число следует не более чем за одним числом. Но можно определить отношение порядка для любых натуральных чисел, совпадающее с уже заданным отношением «следует» между а и а'. Для этого нового отношения мы будем пользоваться словом «больше». Определение. Если для данных чисел а и b существует число k такое, что a = b-\-k, то говорят, что а больше Ь, b меньше а и пишут: а^>Ь, Ь<^а. Если а^>Ь или а — Ь, то пишут: а^Ь. Если а<^Ь или а = Ъ, то пишут: а^Ь. Теорема 1. а) Для любых чисел а, b имеет место одно и только одно из трёх соотношений: а = Ь, а~^>Ь, ЬД>а. б) Из а~^>Ь, Ь^>с следует аД>с. Иными словами, множество N нату- ральных чисел с только что определённым отношением ^больше» является. упорядоченным множеством в смысле определения 1 § 5
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 143 (то, что в § 5 основное отношение обозначалось знаком <5 значе- ния не имеет). До к а з а т ел ь с т в о.-Утверждение а) является лишь перефра- зировкой теоремы 5 из § 12. Утверждение б) доказывается так: если а^>Ь, Ь^>с, то a = b k, b = c-^-l, откуда а = ^4-А = (с-|-/) + А = с+(/4-Л), т. е. а Отношение «больше» совпадает в частном случае соседних чисел с отношением «следует», так как а' = а-\-1, т. е. а'^>а. Что касается связи порядка с операциями сложения и умноже- ния, то для натуральных чисел сохраняют силу многие из теорем, доказанных в § 10 для упорядоченных колец. Так как, однако, натуральные числа, как мы увидим, не образуют кольца, то эти теоремы (если только они опирались на свойства кольца) прихо- дится доказывать заново. Теорема 2. (Законы монотонности сложения и умножения.) Из а) а Ь следует соответственно б) а-^-с^Ь -}-с, в) ас^Ьс. Доказательство. 1) Пусть а^>Ь. Тогда a — b-\-k, а с = (Ь 4- k) + с = с 4- (b + k) = (с 4- Ь) k = (Ь + с) + k, откуда а 4- с 4> Ь 4~ с, а также ас — (Ь 4- k) с — be -j- kc 4> be. 2) Пусть а = Ь. Тогда по однозначности сложения и умножения также а 4- с — Ь -|- с и ас = Ьс. 3) Пусть а<^Ь, тогда Ь~^>а, и по доказанному в 1) b -\-с">а-\-с, Ьс 4> ас, откуда а 4- с <4 Ь 4* с, ас<^ Ьс. Справедливы утверждения, обратные теореме 2. Теорема 3. Из а4~с1^^4~с 11ли 1,3 ас^Ьс следует соот- ветственно а^Ь. Доказательство. Так как посылки и следствия в теореме 2 исчерпывают все возможности и взаимно исключают друг друга, то обратные теоремы также верны (см. доказательство теоремы 3 из § Ю). Из теоремы 2 уже дословным повторением доказательства тео- ремы 4 из § 10 получаются известные правила оперирования с не- равенствами: Теорема 4. Из а^Ь, c^d следует соответственно а 4- с^Ъ d, ас^ bd.
144 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Теорема 5. Единица — наименьшее из натуральных чисел, т. е. а 1 для любого а. Доказательство. Если а 1, то по теореме 2 (§ 11) а = b' — b 4~ 1 4> 1. Теорема 6. Во множестве натуральных чисел выполнена аксиома Архимеда (§ 10, определение 3), т. е. для любых а и b существует с, для которого Ьс^>а. Доказательство. Достаточно взять с^>а, так как из^Э=1 ввиду теорем 2 и 4 следует Ьс^>а- 1—а. Теорема 7. При установленном порядке натуральных чисел числа а и а 4- 1 являются соседними (§ 5), т. е. не существует числа Ь такого, что а -I- 1 Ь 4> а и, значит, из Ь^>а следует b а 1 и из следует Ь^а. Доказательство. Если Ь^у>а, то b — a-\-k. По теореме 5 k^\. По теореме 2 а-\-k^a-\~\, т. е. По теореме 1 этим исключается соотношение а-\-\.~^>Ь. Теорема доказана. Очень часто применяется следующая: Теорема 8. Любое непустое множество А натуральных чисел содержит наименьшее число, т. е. меньшее всех других чисел данного множества. Доказательство. Пусть М — множество тех чисел а, кото- рые равны или меньше, чем все числа множества А. По теореме 5 1 Принадлежит М. Не все числа принадлежат М, так как если b принадлежит множеству А, то число a = b-\~l^>b и не принадле- жит М. Поэтому множество 714 должно содержать такое число а, для которого число а 1 не принадлежит М (иначе по аксиоме IV М содержало бы все числа). Так как а принадлежит А1, то для любого b из А должно быть а^Ь. Число а принадлежит А, так как иначе для любого b из А будет а<^Ь и по теореме 7 а 1 =£ Ь, т. е. а 4- 1 принадлежит М, что противоречит выбору числа а. На этой теореме основана вторая форма индуктивного доказа- тельства. Теорема 9. (Сравнить с теоремой 1 § 11.) Если некоторая теорема Т доказана для числа 1 и в предположении, что она верна для всех чисел, меньших числа п, где п^> 1, доказана для п, то она верна для любого п. Доказательство. Если теорема Т верна не для всех чисел, то множество М чисел, для которых она неверна, непусто. По тео- реме 8 множество М содержит наименьшее число п. Раз п принад- лежит М, то для п теорема Т неверна и и^>1. Но п — наимень- шее число М, стало быть теорема Т верна для всех чисел, мень- ших п, и должна быть верна для п, что невозможно. После введения порядка для натуральных чисел первая форма индуктивного доказательства, т. е. теорема 1 из § 11, допускает следующие видоизменения;
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 145 Теорема 10. Если некоторая ' теорема Т доказана для какого-либо натурального числа k и если в предположении, что она верна для числа n^k, она доказана для числа п- 1, то эта теорема Т верна для любого натурального числа n^k. Доказательство. Предположим, что теорема Т верна не для всех чисел n^k. Тогда множество А тех чисел n^k, для которых теорема Т неверна, непусто и по теореме 8 содержит наименьшее число l^zk, и для I теорема Т неверна. Поэтому /}>k. По теореме 5 I ф 1 и потому имеет предшествующее число п (§ 11, теорема 2), т. е. число п, для которого п' — п-\-\—1, причём n^k, ибо если n<^k, то по теореме 7 l = n-[-1 ^k. Из ! — п-\- 1 следует п<Л. Поэтому п не принадлежит множе- ству А, т. е. для п теорема Т верна. Но тогда она верна и для числа п^-1—l. Полученное противоречие доказывает нашу теорему. Аналогичное видоизменение допускает и вторая форма индуктив- ного доказательства (г. е. теорема 9), а именно: Теорема И. Если некоторая теорема Т, касающаяся нату- рального числа, доказана для числа k и в предположении, что она верна для всех чисел а с условием k^a<^n, доказана для числа п, то эта теорема Т верна для любого числа пуЛ. Доказательство аналогично доказательству теоремы 10 и предо- ставляется читателю. Справедливо ещё следующее положение, дополняющее тео- рему 8: Теорема 12. Любое непустое и ограниченное сверху множе- ство А натуральных чисел содержит наибольшее число (при этом под множеством, ограниченным сверху, понимается множество, все числа которого меньше одного и того же натурального числа k). Доказательство. Пусть В есть множество натуральных чисел, не меньших чем числа множества А. Так как А ограни- чено сверху, то В непусто. По теореме 8 В содержит наи- меньшее число Ь. По определению В имеем Ь^а для любого а из А. Покажем, что число b принадлежит А и, следовательно, является наибольшим числом в .4. Если Ь не принадлежит А, то Ь^>а для любого а из А. По теореме 7 тогда b—1гй=а для лю- бого а из А. Таким образом, число b — 1 принадлежит В и Ь — 1 <^Ь, что противоречит выбору числа Ь. § 15. Индуктивные определения. Сумма и произведение нескольких чисел С индуктивными определениями мы уже имели дело при опре- делении сложения и умножения. В обоих случаях при выборе определённого значения а дело шло о построении некоторой функции f (b) числа b (значения которой — натуральные числа), 10 Энциклопедия, кн. 1.
146 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ обладающей двумя свойствами: 1) известно значение функции для Ь=\ [в случае сложения /(1) = а', в случае умножения/(1) = а]; 2) дано рекуррентное соотношение, однозначно определяющее зна- чение функции для любого числа, отличного от 1, через её значе- ние для предыдущего числа (в случае сложения /(£)' = [/(£)]', в случае умножения f(b') — f{b)-\-a). По поводу определения сложения мы уже указывали (§ 12), что такое определение ещё не доказывает (простым применением аксиомы индукции IV) существования и единственности функции f(b) с указанными свойствами 1) и 2). Однако существование и един- ственность были доказаны разными путями как для сложения, так и для умножения. После определения порядка натуральных чисел можно доказать законность индуктивных определений и притом более общего типа, чем в случае сложения и умножения. А именно: Определение 1. Индуктивным определением (или построе- нием) функции f(a) на множестве натуральных чисел называется её определение по следующим двум свойствам-. 1) задано значение функции /(!)_ xt для числа 1; 2) значение функции f (а) для натурального числа а 1 одно- значно выражено через её значения f(b) для натуральных чисел Ь<^а при помощи данной системы S рекуррентных соотношений. Отметим, что значения определяемой индуктивно функции f(a) вовсе не обязательно должны быть натуральными числами. Они мо- гут быть элементами некоторого кольца или вообще некоторого множества А, причём между его элементами определены отношения, при которых имеют смысл рекуррентные соотношения системы 5. Что индуктивное определение действительно определяет (и при- том однозначно) функцию /(а), показывает следующая: Теорема 1. (Теорема о законности индуктивного определения.) При данной системе S рекуррентных соотно- шений существует одна и только одна функция f(a), заданная на множестве всех натуральных чисел и обладающая свойствами 1) и 2), указанными в определении 1. Докажем сначала такую лемму: Лемма. Пусть даны', а) натуральное число п, б) элемент xt некоторого множества А, в) при п^>1 система S рекуррентных соотношений, которая для любого натурального числа а (где 1 а п) и любых элементов хь (где b а) множества А одно- значно определяет элемент ха того же множества А *). Тогда существует одна и только одна функция fn(a), задан- ная на отрезке'1) 11, п\, значения которой принадлежат множе- 1) При этом для а > п рекуррентные соотношения могут вообще не задаваться. -) Отрезком натурального ряда (согласно определению 1 из § 4) назы- вается множество II, и] натуральных чисел a^Zn.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 147 ству А и которая обладает свойствами'. 1) /(l)==Xi, 2„) при л^>1 и 1<^а^п значение f(a) связано со значениями f(b) (где Ь<^а) рекуррентными соотношениями данной системы S. Доказательство леммы. Пусть М — множество тех п, для которых лемма верна. А) Для п = 1 условие в) и свойство 2„) отпадают. Очевидно, /(1) =хх будет тогда единственной функцией, заданной на отрезке 11, 1 | и обладающей свойством 1); 1 принадлежит М. Б) Если п принадлежит М, то для п лемма верна. Пусть усло- вия а), б), в) леммы выполнены для числа л-|-Е Тогда эти усло- вия выполняются также и для числа п [при той же системе S ре- куррентных соотношений в пункте в) и том же xt в б)]. Стало быть, существует одна и только одна функция fn(a), заданная на отрезке | 1, п\ и обладающая свойствами 1) и 2П). Мы строим тогда функцию /п+1 (а) следующим образом: для любого а п полагаем: Лн-1 (а) —/п (а)- Значение же /„4-1 (л 4” О определяем по значениям /п+1 (а) для а<^л4~1 из рекуррентных соотношений данной си- стемы S, что возможно, так как условие в) выполнено для числа л 4*1- Тогда функция fnl i(a) задана на отрезке 11, /z—|— 11 и обла- дает свойствами 1) и 2п+1). Если g(a)— любая функция, заданная на отрезке 11, /г —|— 1 | и обладающая свойствами 1) и 2п+1), то эта функция g(a) задана также на отрезке |1, п\ и обладает свойствами 1) и 2П). В силу единственности такой функции (дЬя п лемма верна) должно быть: g(a)—fn(a) для аг£л. Но g(a) обладает свойством 2П j). Следовательно, значение ^(л4~1) однозначно определяется значениями g(a) для а^л-j-l. Но для а<^п~\- 1, т. е. а^п, g(.a)=fn(a)=fn+i (а). Поэтому также g(n -|- 1)=/„+1 (л 4~ О- Итак, на всём отрезке | 1, л-|-11 функция g(a) совпадает с /п+1(а), чем доказана един- ственность функции /л+1(а). Лемма доказана для числа п-^-1; п-f— 1 принадлежит множеству М. По аксиоме IV М содержит все нату- ральные числа, т. е. лемма верна для любого натурального числа л. Доказательство теоремы 1. Условия 1) в определении 1 и лемме совпадают. Из условия 2) определения 1 следует, что условие в) леммы выполнено при любом и^>1. Согласно лемме для любого п существует одна и только одна функция /„(«), за- данная на отрезке 11, п\ и обладающая свойствами 1) и 2„). Если т<^п, то функция fn(a) задана на отрезке 11, т \ как части от- резка 11, л| и обладает свойствами 1) и 2П), а стало быть и свой- ством 2т). По единственности такой функции fn (а) = fm (а) для а^т. Итак, все функции fn(a), определённые для числа а (т. е. при л^а), имеют для этого а одно и то же . значение. Значение всех /„(а) при п^а и примем за значение f(a) искомой функции для числа а; /(1) совпадает с /„(1), а так как fn (а) обладает свой- ством 1), то f(a) обладает свойством 1). Если а^>1 и п^а, то ю*
148 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ f(a)=f„(a) и /(а) также удовлетворяет рекуррентным соотноше- ниям, т. е. функция /(а) обладает свойством 2). Если g(a)— любая функция, заданная на множестве натуральных чисел и обладающая свойствами 1) и 2), то она задана на любом отрезке | 1, п \ й обла- дает там теми же свойствами. По единственности такой функции g(a) =fn (a)=f(a) при п^а. Таким образом, g(a)=f(a) для любого а. Этим единственность функции /(а), обладающей требуе- мыми свойствами, доказана. На доказанной выше лемме основано введение понятий суммы и произведения нескольких натуральных чисел. Определение 2. Пусть даны натуральные числа ') аи а2, ап, где п — также натуральное число8). Суммой этих чисел называется число, которое обозначается через п а1 4* а2 4* • • 4 en ~ ai «=1 и определяется условиями 1 2Ci=Cl> (1) i=I Н-I fe 2 а,-=2 g/4-^+j (2) i I i=I для любого числа k<^n. Произведением этих чисел называется число, которое обозна- чается через п ах а2 ... а„ — « = 1 и определяется условиями I (3) Л-f-I k J J ai = (JJ ai]a>‘ +1 (4) i = I i = I для любого числа kt'n. *) Это определение и все результаты данного параграфа дословно пере- носятся па любые кольца и вообще на любые множества, в которых опре- делены операции сложения и умножения, подчинённые законам коммута- тивности и ассоциативности. s) Строго говоря, на отрезке | 1, nj задана функция f(b)=^ab.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 149 Условия (1) и (3) определяют значения данных функ- ции числа k для k=\, а условия (2) и (4) играют роль ре- куррентных соотношений в пункте в) леммы. По лемме k fe существуют единственные функции аг и J J at, заданные на от- i=I i — I резке ] 1, л | и обладающие соответственно свойствами (1), (2) и (3), (4). Поэтому определение 2 имеет точный смысл. Замечание. До сих пор при построении арифметики нату- ральных чисел (начиная с § 11) мы нигде не пользовались теоре- мами первых двух глав; с другой стороны, в этих двух главах использовались лишь те понятия и факты из теории натуральных чисел (а именно, понятие отрезка натурального ряда, индуктивное доказательство и индуктивное определение), которые нами уже изложены. Поэтому, не делая порочного круга, мы можем в даль- нейшем построении теории натуральных чисел опираться на факты из первых двух глав. В частности, верны основные свойства суммы и произведения [см. § 6, (1), (2)]: т п т + п т п т + п 2 аг+Zaffl+z= 2 а,’; U arJIa"»+*= IT q»» i=l /=1 i = l j = l i==I i = I n n n n n n 2 = 2 a‘ +2П (aA) Illibi-(6) i=\ i=l i=l i = I i = I i = l При совпадающих слагаемых или сомножителях сумма и произ- ведение по определению дают кратное и соответственно степень натурального числа а. Для них верны обычные правила оперирова- ния [см. § 6, (3) — (8)]. Итак, определением кратного и степени числа служат равенства п (7) (8) Но обозначение ап в (7) имело уже раньше другой смысл. Так обозначалось произведение натуральных чисел а и п. Нужно доказать, что оба истолкования записи ап совпадают. Когда это будет доказано, то, придав натуральному числу п количественное значение (как мощности множества), мы придём к школьному опре- делению произведения ап как суммы п слагаемых, равных а.
150 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Аналогично можно придти к определению степени ап как произ- ведения п сомножителей, равных а. Итак, докажем теорему: Теорема 2. Дгя любых натуральных чисел а и п справед- ливо равенство п ап — а, (9) i== 1 где ап означает произведение чисел а и п (в смысле определе- ния из § 13). В частности, п П — 1 • п— 1, i~ I т. е. любое натуральное число п равно сумме п единиц. Доказательство. Для л=1 согласно свойству 1) опреде- ления из § 13 и свойству (1) суммы имеем: j=i п Если ап = У а, то по свойству 2) определения § 13 и свой- /==1 ству (2) суммы имеем: п п + 1 а (л 1) = ал а = ^а-[-а — а. i=I »=1 По аксиоме IV теорема доказана. § 16. Вычитание и деление Основные вопросы арифметики натуральных чисел, обоснование которых содержит трудности, связанные с аксиоматическим построе- нием, нами уже изложены. Остановимся ещё на свойствах обратных операций. Определение 1. Вычитанием натуральных чисел назы- вается действие, обратное сложению, т. е. соответствие, кото- рое с числами а и b сопоставляет число а — Ь (называемое разно- стью а и Ь) такое, что (а-Ь) + Ь = а. (1) Отсюда в связи с определением и теоремой 3 из § 14 находим: Теорема 1. Разность %, — b существует тогда и только тогда, когда а'Д>Ь. Если разность существует, то она един- ственна.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 151 Из (1), далее, имеем: а —6<а. (2) Здесь и ниже предполагается (если нет других указаний), что все встречающиеся разности существуют. Справедливо равенство (а — Ь)с = ас — Ьс, (3) ибо (а — Ь) с -|- Ьс = ас. Далее из (1) и (3) следует а) а — Ь = с — d (4) тогда и только тогда, когда ас; б) (а — ft) + (c —d) = (a-|-c) — (& + </); в) (а — Ь) — (с — d) = (a-\-d) — (Ь Ц- с); г) (а — Ь)(с — d) = (ac-\-bd) — (ad-\-bc). Теорема 2. Из а) bс следует соответственно б) а — Ь^а — с, и обратно. Доказательство. Докажем, что из б) следует а). Прибавив к обеим частям б) Ь-\-с, получим (§ 14, теорема 2): а -|-с ^а-]-Ь, откуда (§ 14, теорема 3) с^Ь, Ь^с. Таким образом из а) следует б). Определение 2. Делением называется действие, обратное умножению, т. е. соответственно сопоставляющее с числами а и Ь число ^=а:Ь (называемое частным а и Ь) такое, что аь-Ь = а. (5) Из 1Ь следует: а =£ ab, (6) причём знак = имеет место лишь для />=1. Отсюда и из (5) а Ь (7) со знаком = лишь при Ь~1. Как и в случае вычитания, здесь и ниже предполагается, что все написанные частные существуют. Теорема 3. Из а) ЬдД следует соответственно , и обратно.
152 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Доказательство аналогично данному для теоремы 2. Для частных справедливы правила сравнения и оперирования. а с b d а) (8) тогда и только тогда, когда ad = bc, б) в) г) а ь с ad±bc . b — 7 Ы ’ а с __ вс b d bd ’ а с __ al b ’ d be ’ Доказываются они на основе теоремы 3 из § 14 дословно как соответствующие свойства частного в любом поле (§ 7, теорема 8). При этом в пунктах б), в) и г) из существования частных в левой части вытекает их существование в правой части. Далее, из (6) и теоремы 3 § 14 находим: Теорема 4. Для того чтобы существовало частное ~, не- обходимо (но, как сейчас увидим, недостаточно), чтобы было а^Ь. Если частное существует, то оно единственно. Что из а>Ь ещё не следует существования частного-у, пока- зывают простые примеры. Так, определяя числа 2=1', 3 = 2', 4 = 3', убеждаемся, что не существует а, для которого 2а = 3. Из (6) должно быть а<^3, т. е. или а=1, или а = 2, но 2-1=2 и 2 -2 = 4. Это обстоятельство обусловливает коренное различие свойств вычитания и деления и приводит к ряду свойств чисел, составляю- щих так называемую теорию делимости1). § 17. Замечания о системе аксиом натуральных чисел Отправляясь от системы аксиом I—IV (§ 11), мы построили арифметику натуральных чисел. Вернёмся теперь снова к вопросам аксиоматического обоснования этой теории. При оценке системы аксиом всякой аксиоматической теории при- ходится решать три основных вопроса (правда, неодинаковой труд- ности и значения) — это вопросы о непротиворечивости, полноте и независимости аксиом. ’) О свойствах делимости см. статью А. Я- Хипчина, помещённую в этой книге.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 153 Непротиворечивость. Для приемлемости любой системы аксиом нужно, прежде всего, убедиться, что построенная на её основе тео- рия не содержит противоречий, т. е. что с помощью этих аксиом нельзя доказать двух взаимно исключающих друг друга предложений. Как же можно доказать непротиворечивость аксиом данной системы в этом смысле? Разберём этот вопрос на примере плоской геоме- трии. При её аксиоматике точки и прямые, а также и основные отношения между ними («точка лежит на прямой», «одна точка прямой лежит между двумя другими» и т. д.) понимаются формально (абстрактно). Эти понятия связаны данной системой аксиом. С дру- гой стороны, имеется другая аксиоматическая теория — поле дей- ствительных чисел. В аналитической геометрии устанавливается, что точкам плоскости соответствуют пары чисел (координаты точки), а прямым — уравнения (уравнения прямых). Отношениям между точ- ками и прямыми соответствуют известные числовые отношения этих пар и уравнений, причём аксиомам геометрии соответствуют пред- ложения (теоремы), которые можно доказать на основе аксиом и свойств чисел. Таким образом, одна аксиоматическая теория (геоме- трия плоскости) включается как часть в другую (теорию действитель- ного числа). Если бы геометрия содержала противоречие в указанном выше смысле, то и для действительных чисел можно было бы найти противоречие (доказать на основе аксиом чисел два взаимно исклю- чающих предложения). Если аксиоматика чисел непротиворечива, то то же верно и для аксиоматики геометрии. В этом смысле непро- тиворечивость аксиом геометрии доказана. Представление одной аксиоматической теории при помощи понятий другой теории, разобранное нами на примере плоской гео- метрии и арифметики, применяется в математике весьма часто и не только для сведения непротиворечивости одной теории к непротиво- речивости другой. Поэтому мы дадим для него следующее опреде- ление: Определение 1. Любое множество, для элементов кото- рого определены основные отношения и выполнены аксиомы дан- ной аксиоматической теории, называется интерпретацией этой теории. Интерпретация данной аксиоматической теории не разрешает вопроса о её непротиворечивости, а лишь сводит его к вопросу о непротиворечивости той теории, в которой осуществлена данная интерпретация. Непротиворечивость теории натуральных чисел доказана не фор- мально-логическими средствами, а многовековой практикой челове- чества, показавшей отсутствие противоречий в этой теории и её соответствие с действительными соотношениями реального мира. Полнота. Далее, возникает вопрос, насколько хорошо описывает система аксиом данную теорию? Можно ли с помощью данной системы аксиом доказать или опровергнуть любое предположение,
154 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЧЕНА И ПОЛЯ высказанное в терминах данной теории? Австрийский математик Гедель в 1931 г. доказал, что для ряда теорий, в том числе и для” аксиоматической теории натуральных чисел, полнота в этом смысле отсутствует, т. е. существуют неразрешимые данными средствами предложения. Мы будем считать систему полной в ином смысле, именно, если она вполне определяет, т. е. до изоморфизма одно- значно описывает, данное множество. Итак, Определение 2. Система аксиом называется полной, если две любые её интерпретации изоморфны (§ 9, определение 1). Примером неполной системы аксиом может служить система свойств I—VI, определяющая понятие кольца (§ 7). Ведь суще- ствуют неизоморфные кольца (хотя бы конечные и бесконечные). Более того, основной интерес теории колец и лежит в описании всех типов колец. Докажем, что система аксиом I — IV натуральных чисел полна. Пусть и TV2— две интерпретации этой системы. Числа в этих интерпретациях будем отличать индексами 1 и 2. Строим по индук- ции (§ 15, определение 1) функцию /(-vj, заданную на всём мно- жестве Nlt значение которой принадлежит TV2, и такую, что 1) /(Ъ)=12> 2) /«)= [/(«1)]'- По теореме 1 из § 15 такая функция существует и только одна. Покажем, что соответствие f(ai) = a^ является изоморфизмом Ni и 7V2. Если tZj 11( то tij =b'l и f{a1)=f(b'l) = [/(*,)]' ф 12. Итак, 12 имеет единственный прообраз в Nlt именно 1Р Пусть а2 имеет единственный прообраз at. Тогда /«)=[/(«,)]' = <- Стало быть, а' имеет хотя бы один прообраз. Если bt — любой прообраз для а', то по 1) fej ф 1Р т. е. bi = c'i, и <=№)=/(<)= [/(н)Г- По аксиоме III следует: а2=/(с1), а так как at— единственный прообраз <z2, то ct — at и по аксиоме II b1 = c’l — а'. Следовательно, а — единственный прообраз для а'. По аксиоме индукции IV любой элемент в TV2 имеет один и только один прообраз в Соответ- ствие /(«1) —й2 взаимно однозначно. Из 2) следует, что отобра- жение /(aI) = a2, Nj на TV2 сохраняет основное отношение «следует». Остаётся доказать это для обратного отображения /-1 (а2) = а1. Но из f (a'J = [/’(а1)]' = аа следует /-1(а') = а', т. е. и обратное отображение сохраняет отно- шение «следует».
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 155 Таким образом, система аксиом I — IV натуральных чисел полна. О значении этого факта уже говорилось в § 11. Только благодаря полноте системы аксиом I — IV мы можем с равным успехом поль- зоваться любой интерпретацией натуральных чисел (применяются ли римские или арабские цифры, десятичная или двоичная система счисления). Независимость. Более простым и имеющим скорее практическое, чем принципиальное значение, является вопрос о независимости аксиом. При выборе той или иной системы аксиом для данной тео- рии желательно достичь минимального числа положений, принимае- мых за аксиомы. Если, например, одна из аксиом в действитель- ности является теоремой, т. е. её можно доказать с помощью остальных аксиом, то нет надобности сохранять её в списке аксиом. Определение 3. Система аксиом называется независимой, если ни одна из аксиом не является следствием остальных. Доказательство независимости системы аксиом проводится так. Для каждой аксиомы строится интерпретация, где выполнены все остальные аксиомы, тогда как данная аксиома не выполняется. Если бы эта аксиома была следствием остальных, то такая интер- претация была бы, очевидно, невозможна. Докажем независимость системы аксиом I — IV натурального ряда. Заметим, что доказательство независимости аксиомы I имеет ту особенность, что если аксиома I не выполнена, то аксиома IV становится бессодержательной, так как множеств 7И, содержащих единицу, вообще не существует, ибо не существует числа единицы. Поэтому для доказательства независимости аксиомы 1 о г остальных аксиом мы несколько видоизменим формулировку аксиомы IV, заме- нив её следующей: IV'. Любое непустое множество М натуральных чисел, обла- дающее свойствами: А ) если существует число 1, не следующее ни за каким другим числом, то оно принадлежит М; Б) если число а принадлежит М, то и следующее число а' принадлежит М — содержит все натуральные числа. Очевидно, что система аксиом I — III, IV эквивалентна системе I — III, IV', т. е. из первой системы следуют аксиомы второй, и обратно (достаточно убедиться, что из I —- III, IV следует IV' и из I — III, IV' следует IV). Если одна из эквивалентных систем непротиво- речива или полна, то то же верно и для другой. Итак, система аксиом I — III, IV' также непротиворечива и полна. Докажем её независимость. 1. Независимость аксиомы I. Пусть N—множество трёх элементов а, Ь, с с таким определением отношения «следует» ’) а =Ь, Ь' = с, с' = а. *) Можно взять любое конечное множество с числом элементов ^2, расположенных в круговом порядке.
156 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Так как всякий элемент следует за другим, то I не выполнено. II, III, IV' выполнены. Если М 0 и, например, b С М, то по 2) также' Ь' — с ( М и с' = а £ М, М — N. 2. Независимость аксиомы II. Пусть N—множество двух элементов а и Ь, причём а' = Ь. Тогда а будет единицей. Аксиома II не выполнена, так как b не имеет следующего эле- мента. Прочие аксиомы выполнены. 3. Независимость аксиомы III. Пусть N—множество четырёх элементов a, b, с, d, причём а = Ь, Ь' — с, с' — d, d' = b. Аксиома III не выполнена, так как b следует за а и d, из a=d' не следует a — d. Остальные аксиомы выполнены, причём а играет роль единицы. 4. Независимость аксиомы IV' (или также IV). Пусть N—множество всех натуральных чисел 1, 2, 3, ..., п, ... и всех чисел вида п -|- ~ с любым целым п, причём для натуральных чисел отношение «следует» имеет прежний смысл и (л + 4) Аксиома IV' не выполнена. В самом деле, роль единицы играет само число 1 (только оно не следует ни за каким другим). Множе- ство М всех натуральных чисел обладает сзойствами А') и Б) [или А) и Б) при аксиоме IV], но не содержит всех элементов множе- ства N. Таким образом, система аксиом I—III, IV натуральных чисел не- зависима.
ГЛАВА IV КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ § 18. Принцип расширения в арифметике и алгебре Понятие числа прошло длинный путь исторического развития. Натуральные числа как средство счёта известны человеку на самых ранних ступенях развития. Древнегреческие математики пользова- лись как натуральными, так и дробными положительными числами, но не знали отрицательных чисел. Употребление положительных и отрицательных чисел (толкуемых как «имущество» и «долг») впер- вые появилось у индусов (Арьябхатта, р. 476 г.; Брамагупта, 588?— 660 гг.; Бхаскара р. 1114 г.). Современное обозначение положительных и отрицательных чисел знаками -|~ и — введено в конце XIV в. немецким математиком Видманном. Однако ещё в XVI в. многие математики не призна- вали отрицательных чисел. Так, французский математик Виет (1540—1603) при выводе соотношений между корнями и коэффи- циентами уравнения ограничивался случаем положительных корней. Полное признание отрицательные числа получили лишь в XVII в. Таким образом, дробные числа появились в математике намного раньше отрицательных. Возникновение дробных чисел связано с за- дачами измерения. Отступая от исторического пути развития по соображениям большей логической простоты, мы введём сначала все целые числа, а затем уже числа дробные. Натуральные числа служат фундаментом, на котором чисто конструктивным путём можно построить все другие числовые мно- жества. Мы последовательно определим целые,, рациональные, дей- ствительные и комплексные числа. Каждое из перечисленных число- вых множеств содержит предыдущее. При этом мы стремимся по- строить расширение, обладающее известными свойствами по отно- шению к расширяемому множеству. Если множество А расширяется до множества В, то эти свойства сводятся к следующему: 1) А есть подмножество В. 2) Интересующие нас операции или вообще отношения элемен- тов множества А определены также и для элементов множества В,
158 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ причём их смысл для элементов А, рассматриваемых уже как эле- менты В, должен совпадать с тем, какой они имели в Л до рас- ширения. 3) В В должна быть выполнима операция, которая в А была невыполнима или не всегда выполнима. Это требование служит основной целью, для достижения кото- рой строится расширение. Разберём его на примерах. Для натураль- ных чисел не всегда выполнимо вычитание. В области целых чисел оно всегда выполнимо. Для целых чисел не всегда выполнимо деле- ние. Для рациональных чисел оно выполнимо всегда (кроме деления на 0, что вообще невозможно). Для рациональных чисел не всегда выполнима операция перехода к пределу. Для действительных чисел она всегда выполнима. Для действительных чисел не всегда выпол- нима операция извлечения корня. Для комплексных чисел она уже всегда выполнима. Наконец, требования логической завершённости диктуют ещё одно условие: 4) Расширение В должно быть минимальным из всех расшире- ний данного А, обладающих свойствами 1) — 3), и определяться данным А однозначно с точностью до изоморфизма. Так, мы расширяем множество натуральных чисел до целых, а не сразу до действительных или комплексных. Целые числа подразделяются на положительные (или натураль- ные), отрицательные и число 0. Идея отрицательного числа (всё равно целого, рационального или вообще действительного) связана с измерением величины, имеющей два противоположных смысла. Таковы, например, длины отрезков, откладываемых на прямой направо или налево от данной точки, показания термометра вверх и вниз от точки 0 и т. д. Тогда уславливаются величины одного смысла или направления измерять при помощи обычных чисел, назы- ваемых теперь положительными, а величины другого, противополож- ного смысла теми же числами, но снабжёнными особым знаком «—» для отличия их от чисел, служащих для выражения величин первого смысла. Затем формально вводится число 0, отделяющее положи- тельные числа от отрицательных. Не останавливаясь на деталях такого введения «относительных» чисел, заметим, что это построение наиболее естественно, так как связано с их возникновением и может быть проведено строго формально. Так, для построения целых «относительных» чисел можно формально натуральным числам а, Ь,... поставить во взаимно однозначное соответствие новые объекты а, Ь, ... и ввести ещё один объект 0. Затем определить сумму, произведение и отношение «больше» по известным школь- ным правилам и доказать (путём проверки всех случаев) справед- ливость всех законов действий и порядка. Руководствуясь, однако, единством идеи, мы примем другое построение. Дело в том, что, желая при расширении сделать вы-
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 159 полнимой в В некоторую операцию, не всегда выполнимую в А, мы можем ввести формально в В те же правила оперирования, ко- торые для данной операции имели место в Л в тех случаях, когда она была там выполнима. Это формальное перенесение старых правил на новое множество и приводит к конструкции желаемого расширения. Так, разность а — b для натуральных чисел вполне определяется парой чисел а, Ь. Такую пару мы и примем за исходный пункт определения целого числа, сохраняя правила оперирования, справедливые для разностей а—b натуральных чисел. Та же идея лежит в основе конструкции рацио- нальных и комплексных чисел, а также алгебраических дробей. Эта конструктивная идея носит название теории пар. Заметим,что во всех указанных случаях конструкция приводит не сразу к желае- мому расширению В для области А, а лишь к области В', изоморф- ной области В и содержащей подмножество А', изоморфное А. Искомое расширение В получится из В' заменой в нём А' на А. Но до проведения такого построения целых чисел необходимо сделать некоторые замечания, связанные с основными свойствами равенства. § 19. Эквивалентность и разбиение на классы Равенство а — b элементов некоторого множества мы всегда понимаем как отношение между элементами, заключающееся в их совпадении или тождестве *). Отсюда по чисто логическим основаниям вытекают следующие основные свойства равенства: а) а = а (рефлексивность или закон тождества); б) если а = Ь, то Ь — а (симметрия); в) если а — b и Ь = с, то а = с (транзитивность). Но теми же свойствами обладают, как мы видели, и другие отношения, именно: равномощность А^В (§ 3), подобие А^В (§ 5), изоморфизм А^В (§ 9). Для всех таких отношений мы докажем следующую общую теорему. Теорема. Если для элементов множества М определено отношение эквивалентности а^Ь (словами: а эквивалентно Ь), обладающее следующими свойствами: 1) а^а, 2) если а^Ь, то b а, 3) если а^Ь и Ь с, то а^ с, то этим однозначно определено разбиение множества М на попарно непересекающиеся подмножества, обладающие тем свойством, что любые элементы одного и того же подмножества эквивалентны и любые элементы различных подмножеств неэквивалентны (разбиение на классы эквивалентных элементов). 1) Многие авторы считают равенство некоторым понятием, подлежащим определению или аксиоматическому описанию.
160 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Обратно, для любого разбиения множества М на непересека- ющиеся подмножества можно так определить отношения экви- валентности, что данное разбиение М будет разбиением на классы эквивалентных элементов. Доказательство, а) Пусть дано отношение эквивалентности. Для каждого обозначим через Ма множество всех элементов х, для которых х^а. Из 1) следует, что а(7Ио, т. е. любой элемент множества М принадлежит некоторому из этих подмно- жеств. Пусть Ъ^Ма и с^Ма. Тогда bа, са-, по 2) также а^с и по 3) b с. Следовательно, два элемента из Ма эквивалентны. Если аг^Ь, то /ИО = 7ИЛ. В самом деле, если с^Ма, то с<-^а, а^Ь и по 3) с^Ь, т. е. с( Мь. Если же то с^Ь и по 2) Ь^а и по 3) с.г^а, т. е. с£ Ма. Отсюда также имеем: если Ь^Ма, то Мь — Ма, т. е. все элементы множества Ма равноправны при определении этого множества. Если множества Ма и yWft имеют общий элемент с, то Мс — Ма, МС = МЬ, откуда Ма — Мь. Таким образом, два различных множества не могут иметь общих или эквивалентных элементов. Элементы различных множеств неэкви- валентны. б) Пусть дано разбиение множества М на непересекающиеся мно- жества. Определим отношение эквивалентности элементов М так: Ь, если а и b принадлежат одному и тому же множеству дан- ного разбиения. Очевидно, что тогда разбиение на классы эквива- лентных элементов и будет данным разбиением. Доказанная теорема найдёт в будущем неоднократное примене- ние, позволяя опускать приведённое рассуждение в каждом кон- кретном случае. § 20. Определение кольца целых чисел Для натуральных чисел не всегда выполнима операция, обратная сложению, т. е. вычитание (§ 16, теорема 1). Поставим задачу расширить множество N натуральных чисел до такого множества С, где были бы заданы операции сложения и умножения, обладающие теми же свойствами, какими они обладают для натуральных чисел, причём вычитание было бы всегда возможно. Это значит, что С должно быть кольцом (§ 7, определение 1). Будем искать мини- мальное из таких расширений в смысле следующего определения: Определение 1. Кольцом ц.лых чисел называется мини- мальное кольцо С, содержащее множество N всех натуральных чисел, т. е. множество, обладающее свойствами: 1) С содержит N; 2)' С есть кольцо-, 3) сложение и умножение натуральных чисел совпадают с одноимёнными операциями над этимичислами в кольце С', 4) кольцо С не содержит отличного от него подкольца, содержа- щего множество N. Элементы кольца С называются целыми числами.
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 161 Из этого определения еще неясно, существует ли такое кольцо С и будет ли оно единственным. Отложив пока вопрос о существо- вании кольца целых чисел, покажем, что если оно существует, то будет единственным с точностью до изоморфизма. Теорема 1. Кольцо С, содержащее множество N натураль- ных чисел ’), тогда и только тогда будет кольцом целых чисел (т. е. минимальным), когда каждый его элемент равен разности натуральных чисел. Доказательство. А) Если кольцо С содержит N и каждый элемент С равен разности натуральных чисел, то С минимально, так как любое подкольцо, содержащее N, содержит и все разности натуральных чисел (§ 7, теорема 4) и, следовательно, совпадает с С. Б) Пусть, обратно, кольцо С минимально. Во всяком кольце разность элементов обладает следующими свойствами (§ 7, теорема 3): а) а — Ь — с — d тогда и только тогда, когда а -|- d — b -|- с; б) (а — Ь) (с — d) = (а -|- с) — (b rf); в) (а — Ь) — (с — d) = (a-\~d) — (b -|- с); г) (а — Ь) (с — d) = (ас -|- bd) — (ad -|- be). О) Пусть R— множество всех элементов С, каждый из которых равен разности натуральных чисел. Из (1) следует, что сумма, раз- ность и произведение двух элементов множества R снова принад- лежат R, следовательно, R — подкольцо С. Любое натуральное число равно, конечно, разности натуральных чисел, например а — (а -|- Ь) —Ь, где b — также натуральное число. Так как операции в N и С совпадают, то R содержит N, и следовательно, R = C в силу ми- нимальности С. Это значит, что любое целое число равно разности натуральных чисел. Теорема 2. Все минимальные кольца, содержащие натураль- ные числа, изоморфны, т. е. кольцо целых чисел единственно с точностью до изоморфизма. Пусть Ci и С2 — два таких кольца. По предыдущей теореме любой элемент в Q и С2 равен разности натуральных чисел. Строим такое отображение f кольца на С2: если ct f С} и ct —а —b в С1г где а и b — натуральные числа, то в С2 будет: а — Ь = с2й). >) Здесь и ниже, говоря, что кольцо содержит натуральные числа или что одно кольцо содержит другое, мы всегда будем подразумевать, что опе- рации в подмножестве совпадают с соответствующими операциями в над- множестве. 2) Из с, == а — b и с2 = а — b не следует с, = са, так как вычитание в С, и С2 может иметь разный смысл. Конечно, с, = с2 при а>Ь, так как тогда а — Ъ существует в N и по совпадению операций Cj и с2 равны одному и тому же натуральному числу а — Ь. 11 Энциклопедия, кв, 1.
162 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Тогда положим f(ci)=c$ с2 не зависит от выбора чисел а и Ь. В самом деле, если также ct = c— d, то а — Ь = с — d и по (1) а d — b -|- с, следовательно, и в С2 также а — Ь = с — d. Если clj^di, то по (I) также f(ct) z£f(di). Любой элемент с, Е Q равен разности натуральных чисел и то же верно для С2. Итак, f—вза- имно однозначное отображение Cj на С2. Из б), г) следует, что /(tj и /(cA)=/(Ci)/№) для любых Ср с/, из Ср т. е. f—изоморфизм колец С, и С2 (§ 9, определение 2). Рассмотрим, например, первое из этих равенств. Если в Cj имеем: ct = a— b, dt=c— d, то в С2 будет; f(Cl) = a — b, f(di)^c — d, откуда /(q)+/№) = (а - Ь) + (с - d) = (а + с) - (b + d), но в Cj ci+=(а 4-с) — 4- d), т. е. элементы Q и f (с,) -\-f (dt) EC, равны разности одних и тех же натуральных чисел а-\-с и b-^-d. Это следует из определения f и, таким образом, Аналогично доказывается и второе соотношение. Теорема доказана. Замечание. Изоморфное отображение f обладает ещё тем свойством, что на множестве N оно является тождественным, т. е. при этом отображении Cj на С2 каждое натуральное число отобра- жается само на себя. В самом деле, при с1 = а— b в и с2 —а— b в С2 элементы ct и с2 тогда и только тогда будут сами натураль- ными числами, когда а^>Ь. При этом ci~f(cl) = а — b — clt Теорема 3. Любое кольцо R, содержащее множество нату- ральных чисел IV, содержит и кольцо целых чисел. Доказательство. Пересечение всех подколец кольца /?, содержащих IV, есть опять подкольцо (§ 8, теорема 6), содержа- щее N, и при этом минимальное, так как оно входит в любое под- кольцо, содержащее N. Согласно определению 1 это подкольцо будет кольцом целых чисел. Мы ещё пока не доказали существования кольца целых чисел, так как не построили ни одного примера (ни одной интерпретации) этого понятия. Перейдём теперь к построению такого примера. Конструкция одного из изоморфных колец целых чисел под- сказывается теоремой 1. Если С—кольцо целых чисел, то элемен- тами С будут разности натуральных чисел. Можно было бы за элементы искомого кольца принять самые символы этих разностей а — Ь, но, во-первых, два таких символа, различных между собой, должны были бы считаться при некоторых условиях согласно (1)
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 163 равными (а — Ь = с — d, если а d — b с), что не согласуется с нашим условием понимать под равенством элементов любого множества их совпадение, а, во-вторых, мы желаем сохранить обо- значение а — b за операцией вычитания в искомом кольце. За исходный элемент конструкции примем пару а, b натураль- ных чисел, взятых в данном порядке. Пусть М—множество всех таких пар. Определим отношение эквивалентности пар так, чтобы разности чисел эквивалентных и только эквивалентных пар были равны одному и тому же элементу искомого кольца. Согласно (1) определяем эквивалентность так: (a, b)^{c, d), (2) тогда и только тогда, когда а -|- d — b с. Далее, определяем сложение и умножение пар так, чтобы в искомом кольце этим операциям соответствовали сложение и умно- жение разностей чисел, образующих данные пары. Согласно б), г) мы поэтому определяем: (а, Ь) -|- (с, d) = (а -|- с, b -J- d), (3) (a, b){c, d) = {ac-\-bd, ad-\-bc). (4) Теорема 4. Сложение и умножение пар коммутативны, ассоциативны и связаны законом дистрибутивности. Доказательство. Эти свойства вытекают из соответствую- щих свойств натуральных чисел и доказываются непосредственной проверкой. Докажем, например, ассоциативность умножения: [(a, b) (с, d)] (е, f) — {ac-{- bd, ad -|- be) {е, f) = — {асе bde -]- adf-\- bef, acf-^bdf -]- ade bce)\ {a, b) [(c, d) {e, /)] = (a, b) {ce -[- df, cf -J- de) = — {ace -\-adf-\- bef -J-bde, acf -|- ade-\-bce bdf). Получившиеся в итоге пары равны, т. е. [(a, b){c, £?)](е, f) — {a, b) [(с, d){e, /)]. Отношения эквивалентности пар (2) обладают свойствами 1)—3) из теоремы § 19. Действительно, 1) {а, Ь)^{а, Ь), ибо а-\-Ь = Ь а. 2) Если {a, b)^{c, d), то (с, d)<~^{a, b), ибо если a-\-d = = b-\-c, то c-\-b — d-^a 3) Если {a, b) ~ (с, d) и (с, d) ~ {е, f), то {a, b) ~ {е, f), ибо, складывая равенства a-\-d = b -{-с, c-\-f=d-\-e, получим: а-|- 4-d-|-с-\-f= bс-|-d-|-е, откуда а -^-f=b-j-e (§ 14,теорема3). Итак, отношение эквивалентности определяет разбиение мно- жества М всех пар на классы эквивалентных пар. Будем обозна- чать эти классы малыми греческими буквами а, р, у, 8, ... 11 ♦
164 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Определение 2. Пусть Со есть множество всех классов ' эквивалентных пар множества М. Суммой (произведением) овух классов а п Р назовём тот класс а р (соответственно сф), который содержит сумму (произведение) пары класса а и пары класса р. Как всегда при определении операций над классами через опе- рации над представителями этих классов, надо показать, что резуль- тат операции не зависит от выбора представителей. Это следует, очевидно, из такой теоремы: Теорема 5. Если (alt bl)-^(ai, b2) и (cb d,) ~(cs,rZ2), то («1, ^1)~(а2» ^2)4“(С2> («1. ^(П, di)^(a2, b2)(c2, d*). Доказательство. Докажем, что из (a,, bi)^(ai, Ьг) для любой пары (c,d) следует: (йр br) -|- (с, d)<~^(ait Z>2)-|~(c> f0 и (alt Ь^ (с, d)~(a2, bs)(c, d). В самом деле, -|~ Ь$ — а2 -j- blt откуда (ai с) (^2 <0=(й2 4-с)+ т. е. («1> ^) + (С> <Z)~(«2, М + (С> d)' Умножая обе части равенства ajZ»2 = Z»,а2 на с и — после перестановки левой и правой его частей -— на d, получим: ахс Ь<ус = Ьхс а2с, bvd -|- a2d = atd -|- bsd. Складывая, находим: (а^с bid) —|— (a2d —|— Ь2с) — (b\С J - a2d) —|— (а^с —|— b2d), откуда (а„ bi) (с, d)r^(a^ b2)(c, d). Применяя дважды только что доказанные законы коммутатив- ности сложения и умножения пар, найдём: (ар йО + Сп, di)~(ait b2) -]-(ci, di)r^(a2, Z>2)-]-(c2, d2), (ai> bt)(Ci, dt) ~ (n2, Ь^)(сг, di) (a%, ^2)(с2, d2). Итак, определение 2 действительно вводит во множестве Со классов эквивалентных пар однозначно определённые операции сло- жения и умножения. Теорема 6. Множество Со с операциями, указанными в опре- делении 2, есть кольцо.
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 165 Доказательство. Нужно проверить выполнение в Со аксиом I—VI (§ 7, определение 1). Так как операции в Со определены для классов через представителей этих классов, то выполнение аксиом I, II, IV, V и VI следует из теоремы 4. Займёмся аксиомой III. Пусть даны две пары (а, Ь) и (с, d). Если бы существовала пара (х, у), для которой (а, Ь)-(-(х, у) = = (с, d), то а-[-х = с, b-\-y = d, т. е. а<^с, b<^d. Поэтому, если имеет место хотя бы одно из условий а^с, b^d, то такой пары (х, у) не существует. Таким образом, вычитание пар не всегда возможно, т. е. сами пары кольца не образуют. Тем не менее Со будет кольцом. Пусть а и (3 два класса из Со, причём а содержит пару (а, Ь) и (3 —пару (с, d). Надо найти класс у такой, что а 4-7 = р. Если (х, у) — пара искомого класса у, то вовсе не нужно, чтобы выполнялось равенство (a, b) -|- (х, _у) = (с, d), а до- статочно лишь эквивалентности (а, b) -J- (х, .у) ~ (с, d). Пред- положим сначала, что пара (х, у) с этим свойством существует. Тогда bу) (с, d), откуда а 4~х 4~ d — b 4~.У 4~с или = По определению эквивалентности (2) (х, у) (Ь с, а d). По теореме 5 достаточно проверить, что хотя бы одна пара (х, у) с этим условием обладает требуемым свойством, т. е. удов- летворяет соотношению (а, b) -1- (х, у)^(с, d). Но сама пара (Ь-\-с, a-\-d) обладает нужным свойством. Действительно, (а, Ь) -|~ (Ь с, а d) = (а -J- b -]- с, b-\--a -\-d)^ (с, d). Этим доказано существование класса у, для которого а 7 — Р- Теорема доказана. Из существования класса у со свойством а у = (3 вытекает его единственность (§ 6, теорема 1). Выясним, какой смысл имеют в кольце Со нуль и противополож- ный элемент. Нуль по его определению — такой класс 0, что а-[-0 = а для любого класса а. Если а содержит пару (а, Ь) и 0 — пару (х, у), то должно быть (a, b) -f- (х, у) (а, Ь). Отсюда, как в доказатель- стве последней теоремы, с заменой (с, d) на (а, Ь) получим: (х, _у) '—j (6 4~ я, == -1- & 4~ — (^> ^)* По (2) любая такая пара действительно удовлетворяет условию (а, Ь) 4~ (k, k)^(a, b). Итак, нулём кольца Со является класс 0, содержащий все пары с равными элементами. Противоположный элемент для класса а — это такой класс —а, для которого а4-(—а) = 0. Если а содержит (а, Ь) и —а содер- жит (х, у), го (а, 6) 4~ 0*7 — k). Здесь можно писать не а =, так как по (2) пара, эквивалентная паре (k, k), сама имеет
166 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ равные элементы; следовательно, а-\-х — Ь-\-у, откуда (х, у) — = (Ь, а). Но сама пара (Ь, а) обладает нужным свойством, ибо (а, b)-\-(b, а) = (а-\-Ь, Ь-\-а) принадлежит классу 0. Назовём пару (Ь, а) противоположной (а, Ь). При замене пары (а, Ь) эквивалентной противоположная пара также заменяется на эквивалентную; любая пара класса —а противо- положна некоторой паре класса а. Итак, класс —а, противоположный классу а, состоит из пар, противоположных парам класса а. Построенное нами кольцо Со является изоморфным кольцу це- лых чисел. Если строить целые числа лишь с точностью до произ- вольного изоморфизма, то само Со можно считать кольцом целых чисел. Однако, при расширении данной системы чисел до новой мы будем считать эту данную систему определённой вполне однозначно, т. е. из всех её интерпретаций выбираем какую-нибудь одну. При этом условии кольцо Со не удовлетворяет определению 1, так как Со не содержит натуральных чисел, ибо его элементы — классы эк- вивалентных пар натуральных чисел. Так как натуральные числа сами ещё не являются элементами кольца Со, то для получения из Со кольца целых чисел (определе- ние 1) надо включить в Со множество натуральных чисел N. Сначала найдём в кольце Сп множество, изоморфное множеству натуральных чисел. Любой класс а кольца Со, отличный от нуля, состоит из пар (а, Ь), где а ф Ь. Назовём класс а классом первого рода, если а~^>Ь, и второго рода, если а<^Ь. Это определение не зависит от выбора пары (а, Ь) в классе а, так как если (а, Ь)~ ~(с, d), то a-\-d — b-\-c. Поэтому из а^>Ь следует (§ 16, тео- рема 2) d<^c, c^>d, из a<^b следует также c<^d. Пусть и —соответственно множества классов первого и второго рода. Покажем, что множество Nt классов первого рода изоморфно мно- жеству N натуральных чисел относительно операций сложения и умножения. Построим взаимно однозначное отображение f множе- ства Nt на N. Если класс а из Nt содержит пару (а, Ь), то а^>Ь и, следовательно, существует натуральное число k такое, что а = = b-\-k (§ 14). Мы положим f(a) — k. Число k не зависит от выбора пары класса а, так как из (a, b)^(c, d), т. е. a-Yd — b-\-c при a = b-\-k, следует b }-k-\-d = b-\-c, откуда также c — d-^k. Раз- ным классам соответствуют разные числа, так как если а содержит (а, Ь) и р содержит (с, d), причём /(а) — /(р) = /г, то a — b-\-k, c = d-\-k и, складывая крест-накрест, найдём: a-\-d-\-k = b-\-k-^c, a^-d — b-^-c, {a, b) (с, d), а = р. Любое число k является образом некоторого класса а, именно содер- жащего пару (а 4-А. а). Этим доказано, чго отображение /взаимно однозначно (§ 3, определение 3).
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 167 Покажем, что и N изоморфны относительно определённых в них сложения и умножения, т. е. покажем справедливость равенств /(а)+/(Р) ==/(« +Р), /(а)/(р)=/(а8). (5) В самом деле, если а содержит пару (а—|—&, а) и р— пару Ь), то а -ф- р содержит пару (а —р А —Z, a-J-b), и, следо- вательно, /(а4-Р) = й + /=/(а)+/(Р). Далее, «р содержит (a-^-k, a)-(b-\-l, b) = — (ab -f- kb -J- al --J- kl ab, ab -f- kb -f- ab -j- al) = (c kl, c), где c — 2ab -\-al-\-bk. Следовательно, /(aP)=W=/(a)/(P). Построим теперь искомое кольцо целых чисел С. Рассуждения будут аналогичными с доказательством соответствующей теоремы о кольцах (§ 9, теорема 2). Пусть С — множество, полученное из кольца Со путём замены всех классов первого рода натуральными числами, соответствующими этим классам при отображении f. Если дополним определение отображения /, полагая f(a) = а для любого класса а второго рода и для а = 0, то получим взаимно однозначное отображение Со на С. Определим сложение и умножение во множе- стве С следующими равенствами: 7(a)+/(?) =/(« + ₽). /(«)/(₽) =/(«?)• (5') Здесь а и р — любые классы кольца Со. Так как f—взаимно одно- значное отображение Со на С, то /(а) и /(Р) — любые элементы С. Далее, сумма а—}— р и произведение ар определены в Со однозначно, и равенства (5') действительно определяют операции сложения и умножения для любых элементов множества С. Итак, С—множество с двумя операциями. Одновременно равен- ства (5') показывают, что множество С с так определёнными операци- ями изоморфно кольцу Со и само является кольцом (§ 9, теорема 1). Теорема 7. Кольцо С, построенное выше, есть кольцо целых чисел. Доказательство. Надо доказать, что С обладает свойствами 1)-4), указанными в определении 1 в начале этого параграфа. Мы уже знаем, что 1) С содержит множество N натуральных чисел и 2) С есть кольцо. Если k—f(a) и /=/(Р)— натуральные числа, то а и р— клас- сы первого рода. Тогда равенства (5'), определяющие в кольце С сумму k +1 и произведение kl, совпадают соответственно с равен- ствами (5), где сложение и умножение в левых частях являются Операциями, определёнными для натуральных чисел в §§ 12, 13. Итак;
168 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 3) Сложение и умножение натуральных чисел совпадают с од- ноимёнными операциями для этих чисел в кольце С. Покажем, что любой элемент кольца С равен разности натураль- ных чисел. Любой элемент С имеет вид /(а), где а — класс кольца Со и f—построенное выше отображение Со на С. Пусть а содержит пару (k, I), причём По определению отображения f класс р состоит из пар вида (b-\-k, b) и у — из пар вида (с —|— Z, с), следовательно, класс a-J-y содержит пару (k, —|— (с —|— Z, c)—{k-\-c-\-l, Z —с), принадлежащую [3, откуда а -|-'(= Р- Итак, по определению сложения в кольце С, т. е. по (5') *): /(a)+/(T)=/(P). т. е. /(а)=/(р)-/(у) = £-/2). Любое подкольцо С, содержащее натуральные числа, должно содержать все их разности и совпадает с С. Следовательно, 4) Кольцо С не содержит никакого подкольца, содержащего W и отличного от самого С. Итак, одно из изоморфных между собой колец целых чисел нами построено. Его элементами (т. е. целыми числами) являются: во-первых, все натуральные числа, во-вторых, число 0, т. е. класс всех пар нату- ральных чисел с равными элементами, в-третьих, все классы второго рода, т. е. классы эквивалентных пар (а, Ь) натуральных чисел с условием а<^Ь. Этим решён вопрос о существовании кольца целых чисел. Пока читателю трудно узнать в построенном выше кольце С так хорошо известное ему кольцо целых чисел. В следующем пара- графе мы рассмотрим простейшие свойства этого кольца и увидим, что оно ничем не отличается от всем известной совокупности це- лых чисел. § 21. Свойства целых чисел Замечание 1. Для целых чисел как для элементов кольца верны все правила оперирования, доказанные в § 7. Так, произ- ведение нуля на любое число равно нулю [§ 7, (2)], верны обыч- ные правила знаков при умножении [§ 7, (3)] и т. д. Теорема 1. Натуральными числами 1, 2, 3, ..., числом О и числами—1,—2,—3, ..., противоположными натуральным, исчерпывается всё кольцо целых чисел С, т. е. для любого эле- мента а(-'С имеет место один и только один из трёх случаев', а — натуральное число, а = 0, —с — натуральное число. Доказательство. Пусть а — /(а), где а — класс кольца Со 3). Выше было доказано, что а либо первого рода, либо 0, либо *) Заметим, что нельзя применять (5), так как класс а не обязательно первого рода. а) Для класса второго рода и 0, содержащихся в С, доказанное означа- ет, что класс, содержащий пару (/г, /), равен разности k — I. ’) Мы применяем, таким образом, для чисел, отличных от натуральных, обозначения как греческими, так и латинскими буквами, считая а—а.
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 169 второго рода. Эти случаи несовместимы, так как если (k, I) — пара класса а, то соотношения k^>l, k = l, k<^l несовместимы (§ 14, теорема 1). Если а — второго рода, то k<ZJ.. Тогда противопо- ложный класс —а содержит пару (/, А), где l^>k, т. е. он первого рода. При изоморфизме / свойство элементов быть противополож- ными друг другу сохраняется, т. е. /(—а) = —/(а) = —а. Если а первого рода, то a—f(a)— натуральное число по опреде- лению /; если а = 0, то а = а = 0; если а — второго рода, то — а — первого рода и — а = — /(<*)=/( —-а) — натуральное число. Теорема 2. Кольцо целых чисел есть область целостности (§ 7, определение 2) с единицей, причём единицей служит нату- ральное число 1. Доказательство. Будем вместо а писать, если нужно, также -[-а. Покажем, что произведение ab целых чисел лишь тогда равно нулю, когда один из сомножителей равен нулю. Пусть а ^4 0 и b 0. По предыдущей теореме а =± с ub—±d, где с. nd —натуральные числа. Тогда ab = ±cd, где берём знак-)-при одинаковых знаках а, b и знак — при разных; cd 0, так как произведение натуральных чи- сел является натуральным числом, следовательно, ab ф 0. Покажем, что а-1=а для любого а. Если а — натуральное число, то это верно по определению умножения (§ 13). Если а = 0, то а-1=0-1=0 = а. Если а — —Ь, где Ь — натуральное число, то «•!=(—Ь) • 1 — — (&•!) =— Ь — а. Тео- рема доказана. Перейдём к понятиям о положительном и отрицательном числах и сравнению целых чисел" по величине. Теорема 3. Кольцо целых чисел С может быть расположено (§ 10, определение 1) и притом единственным образом. При этом расположении все натуральные числа положительны, а все про- тивоположные им числа — 1, — 2, — 3, ... — отрицательны. Доказательство. Если считать натуральные числа и только их за положительные, то кольцо С будет расположено. В самом деле, по теореме 1 для любого числа а либо а положительно, либо а = 0, либо — а положительно, т. е. аксиома IX (§ 10) выполнена. Так как сумма и произведение натуральных чисел—числа натураль- ные, то выполнена и аксиома X. Раз натуральные числа положи- тельны, то по самому определению противоположные им числа отрицательны. Покажем, что данное расположение — единственно возможное. Пусть кольцо С расположено каким угодно образом. По аксиоме IX одно из чисел 1 и—1 положительно. Тогда по аксиоме X число 1 = 1 • 1 = ( — 1) • ( — 1) как произведение поло- жительных само положительно. Тогда также по аксиоме X и любое натуральное число п как сумма п единиц (§ 15, теорема 2) поло-
170 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ жительно, т. е. противоположное число—п по аксиоме IX непо- ложительно. По теореме 1 числа 0 и±я, где п—любое натураль- ное число, исчерпывают С. Таким образом в С положительны нату- ральные числа и только они. Итак, любое расположение С совпа- дает с расположением, указанным в начале доказательства. Замечание 2. Целые числа обладают всеми свойствами эле- ментов любого расположенного кольца, приведёнными в § 10. Так, считая а^>Ь, если а — b — положительно, мы вводим порядок, при котором 0 меньше всех положительных и больше всех отрицатель- ных чисел (§ 10, теорема 1). Для этого порядка верны законы монотонности и правила оперирования с неравенствами (§ 10, тео- ремы 2—4). Определяя абсолютную величину а | числа а как неотри- цательное из чисел ± а (см. § 10, определение 2), получим обычные её свойства и обычные правила сравнения и правила действий над числами через сравнение и действия над их абсолютными величинами (§ 10, теорема 8 и следующее за ней замечание). Теорема 4. Порядок натуральных чисел (§ 14) совпадает с их порядком в кольце целых чисел. Доказательство. Если а и b — целые числа и а">Ь, то а — b — k, где k — число положительное, т. е. натуральное, тогда a=b-\-k. Для натуральных а и b это означает, что а>Ь в смысле определения из § 14. Так как среди целых чисел нет наименьшего, то теорема 8 из § 14 для них уже неверна. Для справедливости утверждений такого рода необходимы дополнительные условия. Определение. Множество А целых чисел называется огра- ниченным сверху (соответственно снизу или просто ограниченным), если существует целое число k такое, что k^>x (соответственно k<^x или существуют два числа k и I такие, что k<^x<^l) для любого числа х из А. Пустое множество ограничено. Теорема 5. Любое непустое и ограниченное сверху (соответ- ственно снизу или ограниченное) множество целых чисел А со- держит наибольшее (соответственно наименьшее или как наиболь- шее, так и наименьшее) число. Доказательство. Пусть А ограничено сверху. Если А со- держит хотя бы одно натуральное число, то множество натуральных чисел, входящих в А, непусто и содержит наибольшее число а (§ 14, теорема 2). Число а, очевидно, будет наибольшим и в А. Если А не содержит натуральных чисел, но оно содержит число 0, то 0 и будет наибольшим в А. Если А содержит лишь отрицатель- ные числа, то множество В, содержащее числа, противоположные числам из А, состоит из натуральных чисел и содержит наимень- ший элемент Ь: Ь-<у для любого у из В. Умножая на — 1, найдём (§ 10, теорема 2): —Ьл=-—у или, полагая а =— b и х =—у, а~5?х для любого х из А. Если А ограничено снизу, то определён- ное выше В ограничено сверху, и по доказанному В содержит паи-
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 171 большее число Ь. Тогда число а = — b будет наименьшим в А Наконец, если А ограничено, то оно ограничено и сверху, и снизу, и по доказанному содержит как наибольшее, так и наименьшее число. На этой теореме основаны различные формы односторонней или двусторонней индукции. Например: Теорема 6. Если некоторая теорема Т, касающаяся целого числа, верна для целого числа а и а) если из того, что теорема Т верна для числа х = а, сле- дует, что она верна для числа х-j-l, то она верна для любого числа Ь^а; б) если из того, что теорема Т верна для числа х^а, сле- дует, что она верна для числа х—1, то она верна для любого числа Ь^а\ в) если из того, что теорема Т верна для любого числа х, удовлетворяющего неравенству хх <^х<^х.2, где х^а^хг, сле- дует, что она верна для чисел xt и х2, то она верна для любого целого числа Ь. Доказательство. Все подобные утверждения доказываются одинаково. Докажем, например, утверждение в). Если теорема Т верна не для всех целых чисел, то существует целое число Ь, для которого она неверна. Пусть Ь^>а (в случае Ь<^а рассуждение аналогично) и пусть А есть множество тех целых чисел х^>А, для которых Т неверна. Множество А ограничено снизу числом а и непусто, ибо содержит число Ь. По предыдущей теореме это множество содержит наименьшее число х2. Если положим х} равно а—1, то теорема Т верна для любого числа х такого, что причём Х]<^а<^х2. Следовательно, теорема Т верна и для чисел х1 и хг. Но число х2 принадлежит множеству А, т. е. для х2 теорема Т неверна. Полученное противоречие доказывает утверждение в). Теорема 7. Кольцо целых чисел архимедовски расположено (§ 10, определение 3). Д о к а з а т е л ь ство. Пусть а и b — целые числа и &^>0. Если asgO, то 1 b~b~^>a. Если а^>0, то а и b — натуральные числа и для них аксиома Архимеда выполнена (§ 14, теорема 6). Поэтому существует натуральное число л такое, что пЬ">а. На свойствах делимости целых чисел мы останавливаться не будем, так как они рассматриваются в статье А. Я. Хинчина-
ГЛАВА V ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ § 22. Определение поля рациональных чисел В настоящей главе будут построены рациональные числа, поло- жительные, отрицательные и число нуль. Дробные числа появились в глубокой древности задолго до отрицательных чисел. Их возник- новение связано с задачами измерения. В случае, когда единица из- мерения не укладывалась целое число раз в измеряемой величине, естественно возникало понятие о дробном числе. Заметим, что при- нятый нами порядок изложения отличается от школьного тем, что мы сначала определяем целые отрицательные числа, а затем все рациональные числа, тогда как в школе отрицательные числа появ- ляются уже после дробных. Такое построение нами принято с целью получить возможно раньше числовую область (целых чисел), кото- рая является кольцом, с тем, чтобы далее применять общую теорию, построенную в главе II. Укажем, однако, на то, что без каких-либо существенных изменений в рассуждениях можно было бы переста- вить местами построения «относительных» чисел из § 20 и рациональ- ных чисел из данного параграфа. Тем самым будет сохранён обыч- ный для школы порядок изложения. Расширение множества целых чисел до множества чисел рацио- нальных производится по общему плану, указанному в § 18 для любого расширения, и рассуждения при этом аналогичны проведён- ным в § 20 при расширении натуральных чисел до целых. Всё от- личие состоит в том, что тогда речь шла о свойствах сложения, а теперь — о свойствах умножения. Во множестве целых чисел не всегда выполнима операция, об- ратная умножению, т. е. деление, даже при условии, что делитель отличен от нуля. Поставим задачу расширить кольцо С целых чисел до такого множества Г, где были бы заданы операции сложения и умножения, обладающие теми же свойствами, какими они обладали для целых чисел, причём деление на элементы множества, отличные от нуля кольца С, было бы всегда возможно. Это означает, что множество Г должно быть полем (§ 8, определение 1). Будем
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 173 искать минимальное из таких расширений в смысле следующего определения: Определение 1. Полем рациональных чисел называется ми- нимальное поле Г, содержащее кольцо С целых чисел, т. е. мно- жество, обладающее свойствами-. 1) Г содержит С; 2) Г является полем-, 3) сложение и умно- жение целых чисел совпадают с одноимёнными операциями над этими числами в поле Г; 4) поле Г не содержит отличного от него самого подполя, содержащего С. Элементы поля Г называются рациональными числами. Из этого определения ещё неясно, существует ли такое поле и будет ли оно единственным. Покажем сначала, что поле рациональ- ных чисел определено однозначно -с точностью до изоморфизма. Теорема 1. (Ср. § 20, теорема 1.) Поле Г, содержащее кольцо С целых чисел ’), тогда и только тогда будет полем рациональных чисел (т. е. минимальным), когда каждый его элемент равен част- ному целых чисел. Доказательство, а) Если поле Г содержит С и каждый элемент Г равен частному целых чисел, то Г минимально, так как любое подполе, содержащее Г, содержит и все частные целых чисел (§ 8, теорема 5) и совпадает с Г. б) Пусть, обратно, поле Г минимально. Во всяком поле частное элементов обладает следующими свойствами (§ 8, теорема 3): а) если b ф 0, d ЭЬ 0, то , = -т ' -г- > -г- > Ь d тогда и только тогда, когда ad = bc-, , г. , , п а , с ad±bc б) если b Ф 0, d Ф 0, то г ± , ==~—лз— > z.. у- ’ > b а М (lj \ , г, , , л ас ас в) если b 0, d ЭЬ 0, то ; ' ’ v b a bd \ ,, г, , г, , , г, а с ad г) если b Ф 0, с ф 0, d уЬ 0, то , : - . ' ' и а Ьс Пусть М — множество всех элементов поля Г, каждый из кото- рых равен частному целых чисел. Из (1) следует, что сумма, раз- ность, произведение и частное (если делитель отличен от нуля) любых двух элементов множества М снова принадлежат к М, т. е. М — подполе поля Г (§ 8, теорема 5). Любое целое число ab равно, конечно, частному целых чисел, например а = —^-, где # — целое число, отличное от нуля. Из совпадения операций в С и Г *) Здесь и ниже подразумевается, множества совпадают с одноимёнными в надмножестве. что операции над элементами под- операциями над теми же элементами
174 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ следует поэтому, что /И содержит С, и в силу минимальности Г М == Г. Это значит, что любое рациональное число равно частному целых чисел. Теорема 2. (Ср. § 20, теорема 2.) Все манима гьные поля, содержащие кольцо С целых чисел, изоморфны, т. е. поле рацио- нальных чисел единственно до изоморфизма. Доказательство. Пусть Г\ и Г2— два таких поля. По пре- дыдущей теореме любой элемент Г1 и Г2 равен частному целых чисел. Строим отображение f поля на Г2 так: если q С Гп q = — в I p где а и и — целые числа и с2 —у в Г2> т0 положим jf(ci) = c2. Ввиду полной аналогии дальнейших рассуждений с дока- зательством теоремы 2 из § 20 ограничимся лишь указанием, что взаимная однозначность этого отображения следует из свойства а). Далее, из свойства б) следует: /(н+^)=/(п)+/№), и из в) следует /(сЛ)=/(п)/№) для любых Cj и dj из Г, что и доказывает изоморфизм полей и Г2. Теорема 3. (Ср. § 20, теорема 3.) Любое поле Р, содержа- щее кольцо целых чисел С, содержит и поле рациональных чисел. Доказательство. Пересечение всех подполей поля Р, содер- жащих С, будет опять подполем (§ 8, теорема 6), содержащим С и при этом минимальным, так как оно входит в любое подполе, содержащее С. Согласно определению 1 это подполе ’ будет полем рациональных чисел. Переходим к доказательству существования поля рациональных чисел. Как и в случае кольца целых чисел, это доказательство проводится путём построения примера (интерпретации) поля, удо- влетворяющего определению 1. Конструкция одного из изоморфных полей рациональных чисел подсказывается теоремой 1. Ведь если Г — поле рациональных чисел, то элементами Г будут частные целых чисел. Правила сравнения и операции сложения и умножения для этих частных задаются формулами (1). За исходный элемент построения поля рациональных чисел при- нимаем опять пару (а, Ь) целых чисел, взятых в данном порядке, причём второе число пары b отлично от нуля. Пусть М — множе- ство всех таких пар. Определяем отношение эквивалентности, сло- жение и умножение пар так, чтобы им соответствовали равенства, сложения и умножения частных чисел этих пар в искомом поле. Именно, согласно (1) полагаем 137'Э- (a, b) ~ (с, d) (2)
г ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 175 тогда и только тогда, когда ad = bc, (a, b)-[-(c, d)~(ad-'^bc, bd), (3) (a, b)(c, d) = (ac, bd). (4) Отметим, что пары в правых частях (3) и (4) снова принадле- жат множеству 714, так как из b ф 0 и d 0 следует bd О для любых целых чисел b и d (§ 21, теорема 2). Теорема 4. Сложение и умножение пар коммутативны, ассоциативны, а вместо закона дистрибутивности верна эквива- лентность [(а, Ь) 4- (с, d)] (с, /) ~ (а, b) (е, f) + (с, d) (е, f). (5) Доказательство Все эти свойства доказываются непосред- ственной проверкой с использованием свойств целых чисел как эле- ментов кольца (§ 20, определение 1). Проверим, например, эквива- лентность (5). Преобразуем левую и правую части отдельно: [(а, Ь) (с, d)] (е, f) = (ad -|- be, bd) (<?, f) — (adc-\- bee, b df), (a, b)(e, f) 4- (c, d)(e, f) = (ae, bf)-\-(ce, df)= — (ae df-\- bfee, bfdf). Но из определения эквивалентности (2) следует, что получив- шиеся в итоге пары эквивалентны. Отношение эквивалентности пар (2) обладает тремя основными свойствами равенства (§ 19), а именно: 1) (а, Ь)г^(а, Ь), ибо ab = ba\ 2) если (a, b) (с, d), то (с, d) ~ (а, Ь); ибо если ad = be, то cb = da', 3) если (a, b)^ (с, d) и (с, d)<-^(e,f), то (a, b)^ (e,f), ибо умно- жая равенство ad — bc на f и равенство cf=de на Ь, находим: adf—bef—bde, т. е. adf=bde, откуда af—be, так как d 0. Это отношение определяет разбиение множества 714 на классы эквивалентных пар. Будем обозначать эти классы малыми греческими буквами а, [В, у, 8, ... Определение 2. Пусть Го есть множество всех классов эквивалентных пар множества 714. Суммой (произведением) двух классов а и р назовём тот класс а 4" Р (соответственно, ар), кото- рый содержит сумму (произведение) пары класса а и пары класса р. Как и в предыдущей главе, независимость суммы и произведе- ния классов от выбора их представителей вытекает из такой теоремы: Теорема 5. Если (aj, bl)r^(ai, b^) и (q, d1)<-^(c2, d2), mo (ai, 6i)4-(H> <4)~(a2. +(c2> «У a (ab. ^(q, d1)~(ali, fi2)(q, d2). L
176 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Доказательство. Как и прежде (§ 20, теорема 5), доста- точно доказать, что для любой пары (с, d) будет: (ар 6j)-|-(c> &г)4"(с, d) и (ар Ьг)(с, d)~(a2, b2)(c, d). По условию эквивалентности (2) имеем: ajft2 = a2&p Умножим обе части на d. Найдём: aibod = a2bid. Прибавим к обеим частям biCb2. Получим: a^d &jC&2 — a.:bid -|- bicb2. Умножим обе части снова на d и вынесем общие множители за скобки. Будем иметь: (a^d bid) b2d — (a2d -j- b2c) bid, откуда (aid-\-biC, bid)^ (a2d -|- b2c, b2d). Умножим обе части равенства a1ft2 = a2Z>1 на cd. Найдём: (ait) (b2d) = (a2c) (bid), откуда (ajC, bid)<-^(a2c, b2d). w Итак, определение 2 действительно вводит во множестве Го классов эквивалентных пар однозначно определённые операции сло- жения и умножения. Теорема 6. Множество Го с операциями, указанными в опре- делении 2, является полем. Доказательство. Нужно проверить выполнение в Го аксиом I—VI (§ 7, определение 1) и VII, VIII (§ 8, определение 1). Так как операции в Го определены для классов через их представителей, то выполнение аксиом I, II, IV, V и VI следует из теоремы 4. Так как, очевидно, множество Го содержит более одного элемента, то выполнена аксиома VIII. Выполнение аксиомы III следует из того, что если класс а содержит пару (а, Ь), класс [3 — пару (с, d), то из (a, b)-J-(bc—ad, bd) — (abd-j-b2c — abd, bsd)^(c, d) следует, что класс у, содержащий пару (Ьс — ad, bd), удовлетворяет условию а-|-т = р. Итак, уже доказано, что Го является кольцом. Выясним, какой смысл имеют в этом кольце нуль и противоположный элемент. Все
ПОПЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 177 пары вида (О, Ь) эквивалентны между собой. Обратно, любая пара (х, у), эквивалентная паре (О, Ь), сама имеет тот же вид, так как из xb=y-0 и ЬуЬО следует х — 0. Таким образом, все пары вида (0, Ь) образуют один класс, который, очевидно, является нулём кольца Го. Далее, очевидно, что противоположным для класса а, содержащего пару (а, Ь), является класс, содержащий пару (—а, Ь). Будем его обозначать через — а. Проверим теперь выполнение аксиомы VII. Пусть даны классы а и [?, причём класс а отличен от нуля. Если а содержит пару (а, Ь) и р—пару (с, d), то а 0. Существует поэтому пара (be, ad). Пусть у — класс, содержащий эту пару. Из (a, b)(bc, ad) — (abc, abd)^(c, d) следует ау = р, что и доказывает VII. Итак, Го является полем. Выясним ещё, какой смысл имеют в поле Го единица и обратный элемент. Если ае = а, где а отлично от нуля, а содержит (а, Ь), где а^О, е содержит (х, у), то (а, Ь)(х, _у)~ (а, Ь), откуда abx= = aby, х—у. Очевидно, что, обратно, пара вида (х, х), х^О удовлетворяет условию (а, Ь)(х, х)^(а, Ь). Все пары этого вида составляют один класс, играющий, очевидно, роль единицы в поле Го. Обратным для класса а, содержащего пару (а, Ь), ау^О, будет класс, содержащий пару (Ь, а), так как (a, b)(b, a) = (ab, ab) при- надлежит единичному классу. Построенное поле Го является изоморфным полю рациональных чисел. Само поле Го не удовлетворяет определению 1, так как не содержит среди своих элементов целых чисел. Займёмся теперь включением в поле Го кольца целых чисел. Сначала найдём в поле Го множество, изоморфное кольцу целых чисел С. Пусть класс а содержит пару (Ь, с), где b делится на с, т. е. Ь=ас. Очевидно, что две пары вида (acj, Cj) и (ас2, с2) экви- валентны. Обратно, всякая пара, эквивалентная паре (ас, с), сама будет вида (аср q). В самом деле, из (Ьг, с,) (ас, с) следует: й1с=с1ас, откуда Ь1 = ас1. Итак, класс а состоит из пар вида (ас, с) с данным а и любым с 0. Пусть С — множество всех классов пар (Ь, с), где b делится на с. Каждому классу а из С поставим в соответствие число а такое, что пара (ас, с) принадлежит этому классу а. Так как (acv Cj)^(ac2, с2), то этим определено однозначное отображение a=f(a) множества классов С во множество целых чисел С. Двум разным классам соответствуют разные числа, и любое число а соответ- ствует некоторому классу, именно классу, содержащему пару (ас, с). Таким образом, f есть взаимно однозначное отображение С на С. 12 Энциклопедия, кн. 1.
178 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Покажем, что f будет изоморфным отображением множества С с операциями над классами на кольцо целых чисел. Достаточно доказать равенства /(«) +/(Р) =/(« + ₽). /(«) • Я₽)=/(аР). (6) Но если класс а содержит пару (ас, с) и класс р—пару (Ьс, с), то (а. —р) содержит пару (ас, с) (Ьс, с) = [(а -ф- Ь)сй, с2] и класс —пару (ас, с) (Ьс, c) = (abc2, с2), откуда /(«+Р) = а4-6=/(а)+/(р) и f(a?) = ab =/(а)-/(Р). Построим теперь искомое поле рациональных чисел Г. Пусть Г — множество, полученное из поля Го путём замены каждого класса множества С соответствующим ему при отображении / целым чис- лом. Для определения операций в Г дополним определение отобра- жения /, положив f(a) = a для любого класса из Го, не входящего в С. Тогда f будет взаимно однозначным отображением Го на Г. Сложение и умножение в Г определяем равенствами /(«)+/(?)=/(«+ Р), /(«)-/(Р)=/(«Р). (7) Здесь а и р— любые элементы Го, следовательно /(а) и /(р) — любые элементы Г. Поэтому равенствами (7) действительно опре- делены операции во множестве Г. Теорема 7. Множество Г с операциями, определёнными ра- венствами (7), является полем рациональных чисел. Доказательство. Надо показать, что множество Г обладает свойствами 1)—4) из определения 1. 1) Г содержит кольцо целых чисел С по построению. 2) Г является полем, так как равенства (7), определяющие сло- жение и умножение в Г, вместе с тем показывают, что множество Г относительно этих операций изоморфно полю Го. Но множество с двумя операциями, изоморфное полю, само является полем (§ 9, теорема 1). 3) Сложение и умножение целых чисел совпадают с одноимён- ными операциями над этими числами в поле Г. В самом деле, при отображении / целые числа являются образами элементов множества С из поля Г. Но если а и р — классы из С, то для них равенства (7) совпадают с (6), где сложение и умножение в левых частях равенств означают операции над целыми числами, определённые в § 20.
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 179 4) Поле Г не содержит отличного от него самого подколи, содержащего С. Чтобы в этом убедиться, покажем, что любой элемент поля Г равен частному целых чисел. Любой элемент из Г имеет вид /(а), где а — некоторый класс поля Го. Пусть класс а содержит пару (А, I) целых чисел, причём 1^0. Тогда k=f($), 1=/(у). По определению отображения f класс р состоит из пар вида (kc, с) и у — из пар вида (/с, с), следовательно класс ау содержит пару (k, Z) (1с, с) = (klc, lc) r^> (kc, с), откуда ау—р. Согласно определению умножения в Г [второе из равенств (7)] отсюда находим: f (а)-/(у)=/(р), откуда Любое подполе поля Г, содержащее все целые числа, должно содержать и все их частные, т. е. по доказанному всё поле Г, чем и завершается доказательство теоремы. Итак, одно из изоморфных полей рациональных чисел нами построено. Его элементами являются, во-первых, все целые числа и, во-вторых, классы эквивалентных пар целых чисел вида (а, Ь), где b ф 0 и а не делится на Ъ. Этим решён вопрос о существова- нии поля рациональных чисел, т. е. поля, удовлетворяющего опре- делению 1. Остаётся ввести для рациональных чисел обычные обо- значения с помощью дробей и показать, что эти числа обладают обычными, всем известными, свойствами. § 23. Свойства рациональных чисел Введём для рациональных чисел, рассматриваемых как элементы построенного в предыдущем параграфе поля Г, обычные обозначе- ния с помощью дробей. Каждое рациональное число а является образом некоторого класса а поля Го, т. е. a=f(a). Класс а одно- значно определяется любой входящей в него парой (k, I) целых чисел, где / 0. Таким образом, любое рациональное число а одно- значно определяется парой (k, I) из класса а. Будем обозначать это число а через у , а символы у, где А и I—целые числа и I 0, будем называть дробями *). *) Таким образом, в отличие от молчаливо принимаемого обычно пони- мания дробей как чисел особой категории мы считаем дроби не числами, а лишь символами для обозначения чисел. В самом деле, различные дроби могут обозначать одно и то же число. Так, 2_— 6 - 3—б—"9 ' • 12 *
180 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Но тот же символ у в поле Г обозначает частное от деления k на I. Это не ведёт, однако, к противоречию, так как по дока- занному в конце предыдущего параграфа, если а=/(а) и класс а содержит пару (А, /), то действительно а = у, где у — частное от деления k на I. Все дроби, составленные из пар одного класса а, обозначают одно и то же рациональное число а=/(а). Таким образом, по определению эквивалентности пар (2) имеем тогда и только тогда, когда ad — bc. Отсюда, в частности, вытекает основное свойство дроби, т. е. равенство b~ Ьс ( > для любого с дЬ 0. На этом свойстве основаны, как известно, сокра- щение дробей и приведение дробей к общему знаменателю. k Заметим, что а = у будет целым при условии, что k делится на I. Простейшим обозначением целого числа а дробью будет дробь у. Для целых чисел мы будем применять наряду с дробями также и прежние обозначения. Так, 6_4_2_„ — 15 _ — 5_ 3 — 2 _ 1 — 2, 3 — j — о. Так как дробь у обозначает рациональное число, равное част- ному от деления k на I в поле Г, то для действий сложения, вычитания, умножения и деления над числами, обозначенными дробями, вер- ны правила (1), б), в), г) § 22, т. е. обычные правила оперирования с дробями. Рациональные числа, не являющиеся целыми, будем называть дробными (таким образом, мы будем различать термины «дробь» и «дробное число»). Итак, целые и дробные числа вместе соста- вляют все рациональные числа. Замечание 1. Для рациональных чисел как элементов поля Г верны все теоремы, доказанные для любых колец и полей в §§ 7, 8. Так, верны правила знаков при умножении [§ 7, (3)]; существует единица, причём она равна числу 1, соответствующему единичному классу поля Го при изоморфном отображении f (ибо этот класс состоит из пар вида (с, с) = (с-1, с), где с 0); любое число у 7^ 0 имеет обратное, причём это будет число отсутствуют де- лители нуля (§ 8, теорема 1) и т. д.
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 181 Переходим к свойствам расположения поля рациональных чисел. Теорема 1. Поле Г рациональных чисел может быть распо- ложено (§ 10, определение 1) и притом единственным образом. k При этом число а — -р положительно, если целое число kl поло- жительно. Это расположение в частном случае целых чисел совпа- дает с расположением целых чисел, определённым ранее (§ 21, теорема 3). k Доказательство. Будем считать рациональное число а = у, где k 0, положительным, если целые числа k и I — одного знака, т. е. или оба положительны, или оба отрицательны, иначе говоря, а = у положительно (в символах: а^>0), если £/^>0 в смысле расположения целых чисел. Это определение положительности числа а не зависит от его записи в виде дроби. В самом деле, если а=-^- = ф- иЛ1/1^>0, то, умножая последнее неравенство на поло- 4 *2 жительное целое число получим: (Л/2)=(ад > о. Но /?>0, следовательно k^^-O (§ 10, теорема 3). Покажем, что данное определение положительных чисел удовле- k творяет аксиомам IX и X из § 10. Пусть а=у. Так как для це- лых чисел аксиома IX выполнена, то выполнено одно и только одно из трёх соотношений kl^y>0, kl—0, —kl^>0. Если kl^>0, то а^>0, если kl—О, то k = 0 и а = 0, если — kl^>0, то—а=~^-^>0. Итак, аксиома IX справедлива и для рациональных чисел. Если “1=Т>° » ^2 \ г, а2— *2 то 44 о, ибо (А/2 4- kM =(kM %+(ад Il > о. А также klks X. П ибо И гак, аксиома расположено. (^i&2) (/,/2) — (ktll) 0. X для рациональных чисел выполнена. Поле Г
182 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и поля Легко видеть, что аксиомы IX и X, выполненные для некоторого кольца или поля, остаются справедливыми для любого его подкольца. Поэтому расположение поля Г рациональных чисел порождает неко- торое расположение содержащегося в нём кольца С целых чисел. Но кольцо целых чисел допускает единственное расположение (§21, теорема 3). Поэтому любое расположение (в частности, определён- ное выше) поля рациональных чисел сохраняет расположение кольца целых чисел, определённое ранее (§ 21). Покажем, что построенное расположение поля рациональных чисел является единственным. Пусть дано какое-то его располо- жение. Оно сохраняет неизменным расположение целых чисел. Пока- k жем, что рациональное число а — -^ тогда и только тогда поло- жительно, когда целое число kl положительно. В самом деле, если у^>0, то, умножая на Z2^* 0, найдём kl^>0. Если, обратно, kl^>0, то и —^>0, так как иначе-----^2з=0, и, умножая на /2^>0, найдём — Л/2==0, что противоречит kl~^>0. Итак, любое расположение поля рациональных чисел совпадает с определённым в начале доказательства. Теорема доказана. Замечание 2. Рациональные числа обладают всеми свойствами элементов любого расположенного поля, приведёнными в § 10. Так, считая а^>Ь, если а — Ь положительно, мы вводим порядок, при котором 0 меньше всех положительных и больше всех отрицатель- ных чисел (§ 10, теорема 1). Для этого порядка верны законы монотонности и правила оперирования с неравенствами (§ 10, тео- ремы 2—4). Поле рациональных чисел имеет характеристику 0 (§ 10, теорема 6). Определяя абсолютную величину числа а как неот- рицательное из чисел -ь а. получим обычные её свойства, в том числе обычные правила сравнения двух чисел по величине и правила четырёх арифметических действий через действия над абсолютными величинами (§ 10, теорема 8 и следующие за ней замечания). Пусть Р — любое поле характеристики 0 (§ 8, определение 2) и е — единица поля Р. Определим произведение ах любого эле- k мента х поля Р на любое рациональное число а. Если a=j- с целыми k, I и I 0, то и 1е -£ 0, и мы положим: k ke , . ае — е — , ах — (ае) х. I 1е ’ ’ Для целого а это определение совпадает с данным в § 7, ибо из k а — ~ следует al=k и по (5) из § 7 (ае) (le) = (al) е — ke,
ПОЛЕ РЛЦИОНАЛ1.НЫХ ЧИСЕЛ 183 откуда ае= —. Тогда (ае)х = а(ех) = ах, т. е. произведение ах в новом смысле при целом а совпадает с произведением в смысле § 7. Элементы ае при целом а называются целыми, а при рациональ- ном а—рациональными элементами поля Р. Теорема 2. Любое поле Q характеристики 0 содержит одно и только одно подполе II, изоморфное полю рациональных чисел Г. Это подполе П состоит из всех рациональных элемен- тов ае поля Q, и существует только одно изоморфное отобра- жение И на Г, а именно, переводящее элемент ае в число а. В частности, поле Г не имеет отличных от него самого под- полей, т. е. является простым полем (§ 8, определение 2) и до- пускает лишь одно изоморфчое отображение на себя, а именно, тождественное. Поле Q изоморфно полю Р, содержащему Г в качестве подполя, причём любое изоморфное отображение Q на Р сохраняет указанное выше отображение П на Г. Если поле Q расположено, то и поле Р может быть расположено так, что изоморфизм Р и Q сохраняет отношение порядка. Доказательство. Для любых целых чисел тип имеем [§ 6, (6) и § 7 (5)]: а) те пе = (т 4~ п) е, (те) (пе) — (тп) е. Так как характеристика поля Q равна нулю, то пе О для любого целого п ф 0. Если тфп, то т — п^О и те — пе = (т — п)е ^0. Таким образом, соответствие п *—< пе между кольцом С целых чисел и множеством S целых элементов поля Q взаимно однозначно и в силу а) изоморфно. Точно так же из соотношений а) и правил сложения и умноже- ния частных б), в) (§ 8, теорема 3) имеем для любых рациональных k , т а — -j- и Ь=-^- равенства б) ае 4- be — (а Ц- Ь) е, (ае) (be) = (ab) е, ибо . . ke . те _ (ke) (пе) + (1е) (те) _ (kn-±lm)e ае + Ье= 17+^ =----------Щ(й)-------- (1фе- + . . ke те (ke)(me) _ (km)e ,п1Ар (ае) (be) = • п~ = - (//г) Г ~ (аЬ> е' Если а — ^-^G, то и ае—^-^.О. Отсюда, как выше, если а Ь, то ае be, и, следовательно, отображение а «—► ае поля Г на множество П взаимно однозначно и в силу б) изоморфно. Так как Г — поле, то и П будет полем (§ 9, теорема 1). Пусть поле Г каким угодно образом отображено изоморфно на некоторое подполе П' поля Q. Числу 1 соответствует тогда единица е из Q, а потому по свойствам изоморфизма для
184 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ натурального п также п = 1 4~ • • • 4“ 1 е 4"' • • 4-е = пе и — п <—> —пе — (—п)е, 0 «—<• 0 = 0-е (О слева — число, а справа — элемент Q). Итак, п -—► пе для любого целого п. А тогда для любого рационального а = ~ также а = = *—► ~^~ = ае" Таким образом, П’ совпадет с П, и любой изо- морфизм между Г и П совпадает с изоморфизмом а «—► ае. Так как поле Q содержит подполе П, изоморфное Г, то оно изоморфно полю Р, содержащему подполе Г и полученному из Q путём замены элементов П соответствующими им числами из Г (§ 9, теорема 2). При этом любой изоморфизм Р и Q должен сохранять данный изоморфизм Г и П, так как Г только одним способом изоморфно отображается в П. Если поле Q расположено иу=/(х) — любое изоморфное ото- бражение Р на Q, то, считая элемент х из Р положительным, если соответствующий ему элемент y—f(x) из Q положителен, получим, как легко видеть, расположение поля Р, причём изоморфизм f сохраняет отношения порядка. Теорема доказана. Эта теорема показывает, что поле рациональных чисел в извест- ном смысле является минимальным среди всех полей характеристики нуль. Именно, если изучать поля лишь с точностью до изоморфизма, то можно сказать, что любое поле характеристики нуль содержит в качестве подполя поле рациональных чисел. Теорема 3. Поле Г рациональных чисел архимедовски рас- положено (при единственно возможном его расположении). Доказательство. Для выполнения аксиомы Архимеда в Г, как и в любом расположенном поле, достаточно, чтобы для любого числа с существовало натуральное число п, большее с. В самом деле, тогда для любых а и Ь, где &^>0, существует п^>~, и, умножая на Ь, получим nb~^>a. Пусть а — любое рациональное число. Если asgO, то п^>а для любого натурального п. Если а^>0, то его можно представить дробью а = у, где k и I—натуральные числа, ибо по теореме 1 kl^>0, т. е. k и I одного знака, а по (2) знаки k и I можно менять одновременно. Тогда -/^1, и, умножая на а^>0, найдём k>za, откуда n = k-\-l'^>a. Теорема доказана. Теория делимости для поля рациональных чисел, как и для вся- кого поля, бессодержательна и сводится к положению, что любое число делится на любое другое число, отличное от нуля. Для применения математики в технике и других науках в извест- ном смысле слова достаточно одних рациональных чисел и даже пе
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 185 всех рациональных чисел, а, например, чисел, выражаемых конеч- ными десятичными дробями. В самом деле, во всех измерениях и вычислениях прикладного характера достаточно знать результат вы- числения лишь с некоторой определённой степенью точности. При этом нужной точности можно достигнуть, используя лишь числа указанного рода. Для точного уяснения смысла этого утвержде- ния введём такое понятие. Определение. Пусть дано натуральное число п. Все рацио- нальные числа вида тпк, где т и k — любые целые числа, назы- ваются п-ично рациональными или п-рациональными. При п = 2, 3, 10 получим двоично-рациональные, троично-рацио- нальные или десятично-рациональные (т. е. десятичные дроби) числа. При Л = 0 найдём, что все целые числа /г-рациональны для лю- бого п. То, что для всех приближённых вычислений рациональные числа можно заменить л-рациональными, вытекает из следующих двух предложений, которые мы докажем не для поля рациональных чи- сел Г, а в более общем виде, так как в этом виде они нам по- надобятся в следующей главе. Теорема 4. Пусть Р—архимедовски расположенное поле, содержащее поле рациональных чисел Г, а — элемент Р и п — на- туральное число, большее единицы. Тогда для любого целого числа k существует целое число т такое, что тпк =5 а<^(т + О пк. Доказательство. Из л^>1^>0 следует Так как поле Р архимедовски расположено, то существуют натуральные числа Zt и Z2 такие, что ltnk^>a и Т,пк^>— а, откуда (—12)пк<^а. Следовательно, множество А целых чисел I, для которых Ьг^а, содержит — Z2, т. е. непусто, и ограничено сверху, так как из ln!t^a<^link следует Z<^ZV Поэтому А содержит наибольшее число т (§ 21, теорема 5). Так как т принадлежит А и т~\-1~^>т уже не принадлежит А, то по определению множества А имеем: тпк ^а«т 4- 1) пк, что и требовалось доказать. Теорема 5. Пусть Р—архимедовски расположенное поле, содержащее поле рациональных чисел Г, п — натуральное число, большее единицы. Для любого положительного элемента а поля Р существует натуральное число k такое, что ~^<^а. Доказательство. Сначала докажем неравенство nk>k (3) для любого натурального числа п^> 1 и любого целого числа k.
186 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Так как пк^>0, то для Л=ёО это неравенство выполнено. Для натурального k докажем его индукцией по числу k при данном п. По условию т. е. для k=l неравенство верно. Если оно верно для числа k, то nk~^>k, откуда пкл = n-nk~^>nk ^’2k = k-\-k^k-\-\, т. е. неравенство верно и для числа Л 4-1- Так как я^>0, то по аксиоме Архимеда найдётся натуральное число k, для которого 1 <4 ka. По (3) тогда также 1 <4 пка. Умножая на п~к 4> 0, найдём п~к<^а, что и требовалось доказать. Заметим, что ввиду теоремы 2 последние две теоремы остаются верными для любого архимедовски расположенного поля Р с заме- ной в их формулировках рациональных чисел на соответствующие им элементы (т. е. числа г на элемент ге, где е — единица Р). Из теорем 4 и 5 вытекает, что для целей приближённых вы- числений рациональные числа можно заменить «-рациональными при данном п. В частности, можно применять числа, изображаемые конеч- ными десятичными дробями (п =10), что и делают на практике. В самом деле, мы скажем, что результат вычисления найден при помощи рациональных чисел с точностью до данного рационального числа с^>0, если найдены два рациональных числа а и b (резуль- таты вычисления по недостатку и по избытку) такие, что а<^Ь, b — а<^с и искомый результат вычисления заключён (в определён- ном смысле для данного вычисления) между а и Ь. Но по теореме 5 существует целое k такое, что „ь с—(Ь—а) " \ 2 Далее, по теореме 4 найдутся целые числа I и т такие, что c1 = ^«ft^c<4(/4_ \)пк и (т — 1)пк ==S:b<^mnk = bl. Так как интервал (alt bt) шире (а, Ь), то естественно считать ре- зультат вычисления заключённым между ах и bv Далее, — — а) 4-(a — «JsS пк 4- (Ь — а) 4- пк < (Ь — а) + 2 = с. Таким образом, и Ьг служат приближениями по недостатку и по избытку с помощью «-рациональных чисел с тою же степенью точности с. Рассуждая аналогично, можно и число с заменить мень- шим уже «-рациональным числом. Однако для точного выражения результата вычисления недоста- точно не только «-рациональных, но и всех рациональных чисел. Пусть, например, надо найти длину отрезка MN, если отрезок АВ принят за единицу измерения. Искомая длина есть отношение отрез-
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 187 ков MN и АВ. Если отрезки АВ и MN соизмеримы, то имеется их общая мера CD, содержащаяся р раз в MN и q раз в АВ. Тогда MN'.AB— —-------число рациональное. Обратно, если отношение MN‘.AB = ~— рационально, то делим отрезок АВ на q частей (одна из них р раз уложится в будут соизмеримы. Из геометрии измеримые отрезки. Так, диагональ роной. Приняв стороны квадрата MN), следовательно MN и АВ известно, что существуют несо- квадрата несоизмерима с его сто- за единицу измерения отрезков, мы не можем выразить длину его диагонали никаким рациональным числом. Рациональных чисел недостаточно также для извлечения корней из положительных рациональных чисел и даже из натуральных чисел. В самом деле, если, например, р — простое число, п — натуральное , пг- число, большее единицы, то у р не может равняться рациональному числу. Иначе, Р = ~ с натуральными q, г (если для чётного п взять положительное значение корня). Тогда р = ~-^ и (4) Если в разложении числа q на простые множители р встре- чается а раз, а в разложении числа г встречается b раз, то в ле- вой части равенства (4) р войдёт множителем а в правой части — nb раз. Но па-\- 1 nb, так как второе число делится на п, а первое не делится. Таким образом, в разложении на простые множители левой и правой частей равенства (4) простое число р входит неодинаковое число раз, что противоречит однозначности разложения натурального числа на простые множители *). В следующей главе мы займёмся расширением поля рациональ- ных чисел до поля действительных чисел, в котором измерение от- резков и извлечение корня из положительного числа дают точный результат. 1) См. статью А. Я. Хинчина.
ГЛАВА VI ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ § 24. Полные и непрерывные поля Ещё в Древней Греции было известно существование несоизме- римых отрезков. Стремление получить для их отношения точное числовое значение должно было бы привести к понятию иррацио- нального числа. Однако строгое обоснование этого понятия оказа- лось не под силу учёным древности. Стремясь к строгому обосно- ванию математических положений, они придавали им геометрическую форму. Примером этой своеобразной геометрической алгебры могут служить «Начала» Евклида. В Средние века индусы пользовались иррациональными выраже- ниями, не вдаваясь в вопросы их обоснования. С развитием анализа в XVII и XVIII вв. действительные числа становятся основным объектом исследования. При этом с ними оперировали на ос- нове наглядных представлений, изображая числа точками прямой линии. Ко второй половине XIX в. потребность формального построе- ния теории действительного числа назрела настолько, что она была построена рядом математиков (Дедекинд, Кантор, Вейерштрасс). Все эти построения, по форме совершенно различные, равноправны в том смысле, что приводят к изоморфным числовым областям. Мы приведём ниже построение Кантора как наиболее тесно связанное с понятием предела, рассмотренным выше. В литературе чаще встре- чается построение Дедекинда, с которым читатель может познако- миться по книге самого автора [10]; прекрасное изложение теории Дедекинда, богатое ценными методологическими указаниями, дано в книге А. Я. Хинчина[и]. Как было показано в конце § 23, отношение отрезков и корень из положительного рационального числа не всегда выражаются ра- циональными числами. Мы хотим теперь расширить поле рациональ- ных чисел Г до поля действительных чисел D, в котором эти задачи (а также широкий класс других задач) были бы всегда разрешимы.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 189 Чтобы понять, какие свойства чисел нужны для разрешимости этих задач, и притги тем самым к целесообразному определению поля действительных чисел, разберём эти две задачи подробнее. Пусть надо найти отношение отрезков АВ и MN. Тогда мы откладываем на отрезке MN от точки М отрезок MMi = AB, затем от 7И] в том же направлении 7И17И2 = АВ и т. д. По геометриче- ской аксиоме Архимеда найдётся натуральное число п такое, что, отложив таким образом п раз отрезок АВ, мы получим отрезок п • АВ MN. Таким образом, множество тех целых чисел k, для которых k • АВ sg MN, ограничено сверху и непусто, ибо число О ему принадлежит. Поэтому это множество содержит наибольшее число а0 (§ 21, теорема 5). Если а0 -1 = Ьо, то а0 • АВ sg: AW<^ b0 • АВ. Естественно считать, что искомое отношение MN’.AB лежит между а0 и Ьо. Далее, делим АВ на 10 равных частей и для одной из них AtBt повторяем наше рассуждение. Получим целые числа а' и £' = а'-|-1, Для которых, а[ • AjBi • А^, или, полагая п — h — 1 —10’ 01 —10’ имеем: ах • AB^ZMN<bi • АВ, ^ — 0.1 = ^. Так как 1 0а0 • Aj = а0 • АВsgMN<Ь0- АВ =\0Ьо • А^, то по максимальности а' будем иметь: 10a0sga'<^ 10fc0, откуда = =S10^0 и ____а'. ,__Ь[ , йо —<4 и ^о=^То Повторяя те же рассуждения, получим две последовательности чисел ап и Ьп, удовлетворяющие условиям а) б) в) a, а2 bg bt 2S Ь% 2- "n atl—1O« ’ n = 0, 1, 2, ... (1)
190 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Искомое отношение отрезков MN и АВ естественно считать лежащим между ап и Ьп. Числа каждой из этих последовательностей всё более приближаются к этому отношению. Каково бы ни было данное положительное рациональное число е, можно найти такое натуральное число л0, что числа ап и Ьп различаются между собой (а значит, и от искомого отношения) меньше чем на е при любом л>л0. В самом деле, существует л0, для которого у^<^е(§23, теорема 5), а потому Ьп— ап=^п<^г при п^>п0. „ * — Пусть надо найти у а, где а — положительное рациональное и k 1 — натуральное число. Будем говорить лишь о положитель- ном значении корня. Берём любое целое число л^О. Так как 10” ^>0, то по аксиоме Архимеда существует натуральное число т такое, что т • 10“1- Для любого рационального Ь^>1 и лю- бого натурального А^>1 имеем: &к-1^>1 (§ 10, теорема 4), откуда bk^>b. Поэтому (т • 10'”)* т • 1О'" а 1 а. Множество А тех целых чисел I, для которых (/ • 10“”)ft sS а, ограничено сверху и непусто, так как содержит число 0. Поэтому оно содержит наибольшее число ап. Если Ьп = а'п-\- 1, = • Ю ”, Ьп-=ЬП • 10 ”, то k _ Естественно считать, что искомый корень у а лежит между ап и Ьп. Далее, Ьп — ап— 10 п. Так как числа вида те • 10~” являются также числами вида т’ • 10-(”+1>, то ап = а'п • 10'” = 10 • а'п 10'(”+I) ==S а„+1 • 10'("+Ч = ап+1. Так как a<^(b'n- 10-")fe = (10 10-(n+1))fc, то Ю- Ь л, откуда ^«+1 == an+i У 1 10 • Ьп, bn+i = b'^ • 10’(”+‘) 10 • Ьп Ю-^=Ьп. Итак, мы снова получаем последовательности ап и Ьп с теми же свойствами (1). Мы принимаем, что искомый корень при любом л лежит между ап и Ьп. О приближении этих чисел к значению корня можно сказать точно то же самое, что было сказано в случае отно- шения отрезков.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 191 Всё дело заключается, однако, в том, что такого числа, к кото- рому числа ап и Ьп приближались бы вышеописанным образом, среди рациональных чисел может не быть. Для того чтобы такое число нашлось для любых последовательностей рациональных чисел ап и Ьп со свойствами (1), приходится вводить новые (нерациональные) числа. Для их введения надо точно определить понятие последова- тельности и её свойства. Определение 1. Последовательностью элементов данного непустого множества М называется функция (§ 3, определение 1) /(п) = а„, определённая на множестве N всех натуральных чи- сел, значение которой принадлежит множеству М. Иными сло- вами, последовательностью называется всякое соответствие, со- поставляющее с каждым натуральным числом п некоторый эле- мент ап множества М. Последовательность обозначается символами а2, а3, ... или {ап|. Элемент ап называется п-м членом последовательности {ап}. Заметим,что члены последовательности не обязательно должны быть различными элементами множества М. Приведём несколько примеров последовательности. 1. Последовательность натуральных чисел 1, 2, 3, ... = {«}. 2. 1,1 1, ...=Щ 2’3 I п | 3. 1, 0, 1, 0, ... где ап есть остаток от деления п на 2. 4. -|-1, —2, 4-3, —4, ... = {/?•(—1)п+г. °’ d’ 2 ’ 3 ’ 4 ’ 5 ’ 6 ’--Г + п р 6. 2, 3, 5, 7, ... = {/>„}, где рп — п-е простое число. Здесь мы не можем дать общую формулу для n-го числа рп. Тем не менее данная последовательность точно определена. Надо лишь восполь- зоваться индуктивным определением (§ 15, определение 1), положив /(1) = 2, f(n) есть наименьшее простое число, большее числа f (п— 1). Эти условия определяют единственную функцию, заданную на множестве всех натуральных чисел (§ 15, теорема 1). Этот пример показывает, что функция не обязательно должна задаваться некоторой формулой, определяющей её значение через значение аргумента. Нижеследующие понятия имеют смысл не для любого множе- ства, а лишь для упорядоченного множества или расположенного кольца. Мы ограничимся, однако, только нужным для дальнейшего случаем расположенного поля, содержащего поле рациональных чисел. Итак, во всём этом параграфе под Р следует понимать располо- женное поле, содержащее в качестве подполя поле рациональных чисел Г. Всё сказанное в этом параграфе о поле Р остаётся спра- ведливым (в силу изоморфизма, установленного в § 23, теорема 2) для любого расположенного поля Q с заменой рациональных чисел г на соответствующие им элементы ге, где е — единица поля Q.
192 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Определение 2. Последовательность {«„} элементов поля Р называется ограниченной сверху (соответственно снизу), если суще- ствует элемент а поля Р такой, что ап<^а (соответственно ап^у>а) для всех п. Она называется ограниченной, если она огра- ничена и сверху и снизу или (что то же самое) если существует элемент а0 поля Р такой, что \ап\<^а для всех п. Среди приведённых выше примеров последовательность 4 не ограничена ни сверху, ни снизу, а 2, 3, 5 ограничены. х— Следующее понятие является одним из основных понятий всей математики. Определение 3. Элемент а поля Р называется пределом последовательности {ап} элементов Р, если для любого положи- тельного элемента е из Р существует (зависящее от е) натураль- ное число пй такое, что \ап — а | е для любого п~^>п0. Пишут: а = lim ап («предел ап при п, стремящемся к бесконечности») или 72 —* СО просто а = Нтап («предел ап»). Последовательность {«„}, имеющая предел а, называется сходящейся к а или просто сходящейся. Последовательность, не имеющая предела (в Р), называется рас- ходящейся. Из приведённых выше последовательностей только две сходятся: последовательность 2 к числу 0 и последовательность 5 к числу 2. В самом деле, для последовательности 2 имеем: |ал —0| = 1а„| = а„ = -1; для последовательности 5 также Но по аксиоме Архимеда для поля рациональных чисел (§ 23, тео- рема 3) для любого рационального е^>0 существует натуральное Тогда — <^е для любого пу>пп. Последовательность 3 расходится. Правда, для любого е^>0 и любого л0 найдётся такое, что |ап- — 0 | = 0 е и п"^>п0 такое, что | — 1 | = 0 е, но для е sg 1 не существует такого п0, чтобы одно из указанных неравенств выполнялось для любого п /z0. В самом деле, если, например, \ап — 0| = |а„|<^е^ 1, то ап — 0. Следовательно, an+I = 1 и | а„+1 — 01 = 1 е. Понятие предела последовательности сходно с понятием алгеб- раической операции (§ 6, определение 1). Там упорядоченной паре элементов, а здесь упорядоченной по типу множества натуральных чисел {1, 2, 3, ...} системе элементов соответствует некоторый элемент того же множества. Поэтому иногда говорят об «операции
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 193 предельного перехода». Разумеется, это уже не алгебраическая опе- рация в смысле определения 1 из § 6. Возникает вопрос о выполнимости и однозначности операции предельного перехода. Что не всякая последовательность имеет пре- дел, мы уже видели на примере последовательности 3. Вопрос об единственности предела решается утвердительно. Именно: Теорема 1. Если последовательность элементов поля Р имеет предел, то только один. Доказательство. Пусть lirti ап — а и b а. Покажем, что b уже не будет пределом нашей последовательности. Наглядное представление говорит, что элементы ап, приближаясь к а, отойдут для больших номеров от Ь. Формально это доказывается так. Так как а Ь, то |а — й|^>0 и — 2 ^~>0. Если также Итап = й, то । Ла— существуют натуральные числа пх и л.2 такие, что ап— —2 ~ при любом п^>пх и | ап — при любом л^>д2. Если пй — большее из чисел пх и л2, то при п~^>пй получим: I а — b | = |( а — ап) + (ап — Ь) 1 | а — ап | -|-1 ап — Ь.\ т. е. |а — ^|<^| а — Ь\, что невозможно. Отложив пока вопрос об условиях существования предела, най- дём некоторые свойства операции предельного перехода в случае её выполнимости. Теорема 2. а) Если одна из последовательностей \ап\ и элементов поля Р сходится и если lim (ап — Ъп) = 0, то и другая последовательность сходится, причём lima„ —lim#n. Обратно, если обе последовательности сходятся и если liman = — lim bn, то lim (ап — b„) — 0. Далее, если последовательности {ап} и из Р сходятся, то б) lim (ап Дг £>„) = lim an ± lim £>п; в) lim (ап bn) = lim ап lim bn\ . .. ап limc„ ’ Ьп lim Ьп при условии, что lim bn ф 0 и ЬпуЬ0 при любом п. Сходимость последовательностей в левых частях равенств б), в), г) не предполагается, а следует из сходимости последователь- ностей {а,,} и д) Если lim a„^>lim bn, то существует элемент е^>0 из Р и натуральное число пй такие, что ап — bn^>e ipu любом п^>пй. Если существует натуральное число пй“такое, что ап^Ьп при любом п'^>пй, то lima^islimйп. 13 Энциклопедия, кн. 1.
194 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Доказательство, а) Пусть, например, последовательность {ап} сходится, причём liman = a. Тогда для любого е^>0 из Р су- ществуют натуральные числа /zl<4«2 такие, что I ап — а\<^<^ при любом и \ап — ^П|<С“2 пРи л,°бом п^>п2. Если л0 — боль- шее из чисел /Zj и п», то 1*п —«1 = 1А —«„) + («„—«)1^ !*„ — «„ 1 + 1 «п — «|<у+у=е- Таким образом, lim bn~a = lim ап. Второе утверждение пункта а) следует из пункта б). Пусть теперь последовательности [ап] и {Ь'п\ сходятся, причём lim ап = а и lim/>„ = £>. б) Для любого е^>0 существуют натуральные числа /zt и /z2 такие, что |ап — а | <4 ^ при любом п'^>п1 и |йп — при лю- бом л^>л2. Если л0— большее из чисел пх и л2, то при любом будет: l(«n±*n) — («±*)| = |(«п — а)±(Ьп — &)|^ =S I ап~ а | 4- | bn — b | < -J- -j- -J = е. Таким образом, lim (ап -+- />п) — a ± b — lim ап ± Нт Ьп. в) Сначала покажем, что сходящаяся последовательность {ап} ограничена (см. определение 2). Так как Нтап = а, то существует/? такое, что |ап— й]<^1 при любом п^>р. Тогда 1«п1 = 1(«п — «)4« А1««“ «1 + 1 «К1 44 + при п^>р. Среди конечной совокупности элементов [at|, |а2|, ... . .. а \, 1 4~ | а | поля Р существует наибольший элемент а" (§ 5, тео- рема 6). Если положим с = а'4“ 1, то с 1 0 и | ап | <4 с для всех п. Далее, берём любой элемент например = J—1- Тогда, очевидно, rf^>0. Так как Vtman = a и limf>„ = f>, то для лю- бого е^>0 из Р существуют натуральные числа nt и л2 такие, что |ап— а | <4при любом я > л, и |Z>„— b | <4 при любом Если /z0 —большее из чисел пх и л2, то I «А — «*1 = 1 («А — ««*) + («л* — «*) I ^|аА~«»*1 + 1«п* —«*1 = 1«»14 + —*144«п —«I '!*!< £ । £ С ’ 2с + 2d ‘
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 195 при любом л^>л0. Таким образом, 1 im (anbn) ~ab— lim an • lim bn. г) Сначала докажем, что при условии Ит£п = &^£0 существует натуральное число л, такое, что | Ьп | > Ц при любом л^>лР Су- ществует натуральное число р такое, что \Ьп — b | ф При любом п^>р. Если бы доказываемое утверждение было неверно, то для числа р нашлось бы число q^>p такое, что \bq |<^'Тогда т. е. <^|/>|, что невозможно. Последовательность {«„} сходится, а потому ограничена, т. е. существует элемент с^>0 из Р такой, что | ап | с при любом п. Наконец, из Пт ап —а и — b следует, что для любого е^>0 из Р существуют натуральные числа л2 и п3 такие, что | ап — а К-—при любом л^>л2 и [Ьп— при любом п^>п3 (ибо для b 0 всегда b2 = | b |2 0). Пусть пй — наибольшее из чисел пх, пг и л3. Тогда I <hi_ а I___I апЬ— b„a 1__| (а„Ь — апЬ„) -4- (anbn — bna) | ]апЬ — апЬ„\ , рл b\ I b„b I \bnb\ \bnb\ "1“ eft3 e | b | I anb„—bna\___ 'a„\\b—bn\ , | a„ — a | C 4c' ~ 2 __________ IMI ,6|iM • |6| 1211b। |*j — при любом л^>л0. Таким образом, iim«n_____________________________ а __ Um ап Ьп~ b ~1нп Ь„' д) Пусть а^>Ь. Берём е =—д—^>0. Существуют натуральные числа nt и л2 такие, что | ап — а | е при любом п~^>пх и | b п — b\<^s при любом п^>п». Пусть л0— большее из чисел и л2. Если при некотором л^>л0 будет ап — Ьп^е, то для такого п найдём: а — b = (о. — ап) —|— (ал — b) —j- (Z>n — f>) е —|— е —|— е = Зе = а — Ь, что невозможно. Стало быть, ап-—£„^>е при любом п^>л0. Пусть, обратно, ап — Ьп^0 при любом п^>пп. Если бы было а Ь, то по доказанному существовали бы s^>0 ил, такие, что Ьп — ап^>е^>0 при любом п^>лР Беря любое п больше как кп, так и л,, получим: ап^йп и Ьп^>ап, что невозможно. Следовательно, а ~^Ь. Теорема доказана. 13*
196 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ Если последовательность имеет предел, то её члены, прибли- жаясь к этому пределу, должны сближаться между собой по мере роста их номеров. Дадим точное определение этого свойства после- довательности. Определение 4. Последовательность {п„} элементов поля Р называется фундаментальной (или последовательностью Коши), если для любого элемента е^>0 из Р существует натуральное число пй (зависящее от е) такое, что\ар — aq | е для любых р и q, больших п(). Теорема 3. Всякая сходящаяся последовательность элемен- тов поля Р является фундаментальной. Доказательство. Пусть lima„ = a. Для любого е^>0 из Р существует натуральное число п0 такое, что | ап — а | при лю- бом п^>па. Если тогда р^>п(] и q^>nQ, то по свойству абсолют- ных величин [§ 10, (3)] найдём: |ар —«91 = Кар — а)—— a)l^ia₽ — a| + la9 — «1<4+т=е’ т. е. последовательность {ап} — фундаментальная. Эта теорема даёт необходимый признак сходимости после- довательности: для того чтобы последовательность была схо- дящейся, необходимо, чтобы она была фундаментальной. Однако это условие не для любого поля Р является достаточным. Так, в поле рациональных чисел, как мы сейчас увидим, существуют фундаментальные последовательности, не имеющие (в этом поле) предела. Вернёмся ещё к задачам об отношении отрезков и извлечении корня. Для каждой из них мы построили две последовательности рациональных (даже десятично-рациональных) чисел ап и Ьп со свой- ствами (1). Легко видеть, что каждая из них будет фундаменталь- ной. Для любого рационального е существует натуральное такое, что (§ 23, теорема 5). Тогда для любых р и q, где, напри- мер, p^q^>п0, получим: \йР a4 ।-йР aq<Z^p aq^^na ап0--------iQn0 и аналогично этому [Ьр— bql<^e. Если данная задача имеет решением рациональное число с, то с должно быть пределом обеих последовательностей {пп} и В самом деле, в случае отрезков с - АВ — MN<^bn • АВ, откуда с<^Ь Также ап • AB^zMN—с АВ, откуда ап^с. В случае кор- ней с" = а, откуда ап^ с<^Ьп, так как из ап^>с следует akfl'^>ck — a и из Ьп^с следует bkn ck = а, что противоречит построению
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 197 чисел ап и Ьп. Но из ап^с<^Ьп следует, что для любого е^>0 существует п0 такое, что и тогда при п^>п0 будет; |ап —с| = с —ап<&„ —ап^&по —а„о = 1±-<е, и аналогично Ьп — с!<^е, т. е. lim ап = lim bn = с. Итак, каждый раз, как задача имеет решение, она решается пре- дельным переходом. Обратно, если, например, последовательность {а„} имеет рацио- нальный предел с, то и Нт Ьп = с, причём число с решает данную задачу. В самом деле, из lim ап — с следует ап с Ьп для любого п. Иначе при некотором и, будет аП1^>с и при любом n^>ni имеем: «„>%>«> \an — c\ = an — c^,ani — c> или же при некотором д2 будет Ьп^<^с и при любом д^>/г2 имеем: а„<£„=е£П2<с, |ал —с| = с —а„>с — что противоречит определению предела. Но из ап с £? Ьп, как выше мы видели, следует lim an = lim bn = с. То, что число с решает поставленную задачу, будет для извле- чения корня следовать из более общей теоремы и притом сразу для всех действительных чисел. Здесь мы докажем, что если по- строенные в начале параграфа для рационального числа а 0 и на- турального числа k~^>l последовательности рациональных чисел и имеют рациональный предел с, то ск = а. Предположим, что ск<^а. Так как lim Ьп = с, то по теореме 2, в) также limZ>* — ск. Следовательно, существует натуральное число пй такое, что | bhn — <^а—ск при любом п~^>пй. Но из Ьпсап5s0 следует 5sск. Поэтому ^Ьк — ск\—Ьк — ск<^а — ск, откуда Ьк<^а, что противоречит построению числа Ьп. Так же доказывается, что не имеет места неравенство cft5>a. Таким об- разом, с =а, с = у^. Если рациональное число я^>0 таково, что не существует ра- ционального числа с, для которого ск = а (см. конец § 23), то по- следовательности {an} и {6Л}, построенные для этих а и k, не имеют предела в поле рациональных чисел, хотя являются фундаментальными. В случае отношения отрезков надо доказать, что если построен- ные для отрезков АВ и MN последовательности рациональных чи- сел |a„} и {йп} сходятся к рациональному числу с, то с и будет отношением этих отрезков, т. е. c-AB — MN. Пусть это не так.
198 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ тогда, например, c-AB<^MN, или с AB = MNX, причём отрезок MNi составляет часть отрезка MN. Как бы мал ни был отрезок по геометрической аксиоме Архимеда найдётся натуральное k такое, что k NtN^>AB. Но 10*>Л [§ 23, (3)] и l()ft • NtN^>AB, откуда АВ Число ак определялось так, что ак • AB^MN<^bk • АВ, где , _ 1 Dk ak--- Щ*’ Но из ak с следует, что AR bk-AB = ak-AB + (bk-akyAB^c.AB + ^k< <^MNx-^-NxN=MN, что невозможно ввиду bk-АВ^> 44/V. Также придём к противоре- чию, предположив, что с• АВMN. Таким образом c-AB — MN. Если отрезки АВ и MN несоизмеримы, то их отношение не может выражаться рациональным числом, а потому построенные для от- резков последовательности рациональных чисел и не имеют предела в поле рациональных чисел, хотя и являются фундамен- тальными. Итак, в поле рациональных чисел существуют фундаменталь- ные последовательности, не имеющие предела. Определение 5. Расположенное поле называется полным, если оно обладает следующим свойством'. XII (аксиома полнот ы). Любая фундаментальная последо- вательность элементов данного поля сходится, т. е. имеет пре- дел в этом поле. Из сказанного выше вытекает Теорема 4. Поле рациональных чисел Г не является полным. Мы дали выше два доказательства этой теоремы, построив рас- ходящиеся фундаментальные последовательности рациональных чисел для несоизмеримых отрезков и для рационального числа, не являю- щегося А-й степенью никакого рационального числа. Доказательство с помощью отрезков опиралось на положения геометрии, которые здесь не обосновывались. Другое же доказательство опиралось лишь на доказанные нами свойства рациональных чисел и потому может считаться доведённым до конца. Замечание. Введённые выше понятия фундаментальной после- довательности, её предела и связанное с ними понятие полного поля имеют одно свойство, коренным образом отличающее их от введённых ранее понятий: алгебраических операций, расположения и архимедовского расположения. Именно, пусть дано поле Р и его подполе Р. Если для элементов а, Ь, с из подполя Р имеет место соотношение а-[-Ь = с, то эго соотношение по самому определе-
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 199 нию подполя (§ 8, определение 3) сохраняется и в поле Р. Обратно, если а-\-Ь — с в Р, причем элементы а, Ь, с входят в Р, то и в Р будет а -|- b = с. То же верно для отношения ab = с. Если поле Р расположено, то этим порождается расположение Р. Именно, счи- таем а^>0 в Р тогда и только тогда, когда а^>0 в Р. Легко ви- деть, что свойства расположения IX и X (§ 10, определение 1) будут в Р выполнены, т. е. Р будет расположенным полем. Такое свой- ство расположения Р быть архимедовским не зависит от того, рассматриваем ли мы Р само по себе или как подполе поля Р. В самом деле, отношение пе^>а для элементов е и а из Р тогда и только тогда имеет место в Р, когда оно имеет место в Р (при условии совпадения порядка). В этом смысле понятия, введённые в главе II, являются абсолютными Они не зависят от объемлющего поля. Поня- тия же данного параграфа, указанные выше, зависят от поля, в ко- тором данные элементы рассматриваются, и в этом смысле эти понятия относительны. Так, отношение liman — а означает, чго для любого элемента е^>0 из поля Р существует натуральное число пп такое, что |an —а|<^е при любом л^>/г0. Определение фунда- ментальной последовательности также содержит упоминание любого элемента е^>0 поля Р. Но запас этих элементов е зависит от выбора поля Р, и нет основания ожидать, что если все эти элементы после- довательности {an} и а входят в подполе Р поля Р, то смысл отно- шения liman = a и свойство фундаментальности последовательности ]а„} в Р и в Р будут совпадать. Ясно лишь, что из выпотнения одного из условий в Р следует его выполнение в Р, ибо то, что верно для любого е^>0 из Р и для данных элементов из Р, останется верным, в частности, и для любого е^>0 из Р'; но обратного заключить нельзя. Покажем на примере, что это действи- тельно так. Пусть Р—поле рациональных функций (т. е. алгебраических у (х) » дробей).^, где f (х) и g(x)— многочлены с рациональными коэф- S Iх) f(x) фициентами. Считая функцию положительной, если старшие коэффициенты многочленов f(x) и g(x) имеют одинаковые знаки, получим расположение поля Р. Оно не будет архимедовским, так как при любом натуральном п будет х — п=х - ^> 0, откуда П'1<^х. Итак, х больше всех рациональных чисел. Если а^>0 рационально, то и а-1^>0 рационально и а-1<^х. Умножая на О Л ,, 1 у Г 1 — ^>0, найдем X<Zа- Итак, — меньше всех положительных рацио- нальных чисел. Поле Р содержит подполе Г рациональных чисел. В Г последовательность следовательно, фундаментальна, но в поле . при любом и, и 0 уже не будет пределом этой последовательности. , д = 1, 2, 3, ..., сходится к числу 0 и, Р будет |1|=1>
200 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ В Р она вообще не может иметь предела, так как не будет фундаментальной. В самом деле, при р Д~- q число и рационально. Таким Легко видеть, что в поле Р последовательность рациональных чисел {ап} фундаментальна тогда и только тогда, когда она становится стационарной, т. е. существует рациональное а и д0 такие, что ап = а при лю- бом п^дп^. Тогда, очевидно, 1т ап = а. Таким образом, перенося операцию предельного перехода с поля Р на подполе Г, мы по- лучим полное поле, хотя Г неполно в смысле данного выше опре- деления 5. Тем не менее в одном случае введённые в этом параграфе понятия остаются абсолютными. Именно: Теорема 5. Для того чтобы понятия предела и фундамен- тальной последовательности в поле Р совпадали с теми же поня- тиями в любом его подполе Р', необходимо и достаточно, чтобы расположение поля Р было архимедовским *). Доказательство. Если поле Р расположено неархимедовски, то существует элемент с такой, что п<Д для любого натурального п. Так как поле рациональных чисел Г архимедовски расположено, то а с для любого рационального а. Тогда при а 0 и рациональном, умножая а <Д с на —>0, найдем - <Г , т. е. 0<- < Ь, где ас^ с а с Ь=------любое рациональное положительное число. Очевидно, после- довательность п=1, 2, 3, ..., рациональных чисел в поле Г сходится к числу 0 и потому фундаментальна. Но та же последо- вательность в поле Р не является фундаментальной и потому не имеет предела. В самом деле, берём: е = 0. Тогда при р Д q будет:----Стало быть не существует числа пй со свойст- вом ------|<^е при любых р и q, больших пй. Необходимость доказана. Пусть теперь поле Р архимедовски расположено. Покажем неза- висимость свойства последовательности быть сходящейся или ‘) Из доказательства этой теоремы следует, что архимедовость располо- жения поля Р необходима даже для того, чтобы понятия предела и фунда- ментальной последовательности совпадали в поле Р и содержащемся в пём иоле рациональных чисел Г. Другими словами, если фундаментальные и сходящиеся последовательности в поте Г остаются такими же и в поле Р, то поле Р архимедовски расположено. Этим мы воспользуемся в начале сле- дующего параграфа.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 201 фундаментальной от подполя Р, содержащего элементы ап и (для случая сходимости) предел a = liman. Из выполнения этих свойств в Р следует их выполнение в Р. Пусть, например, lim ап = а в Р. Покажем, что то же будет и в Р. Берем любой элемент из Р. Так как Р архимедовски расположено, то существует натураль- ное п~^> откуда 0<^-—= е'<^е. Число е'^>0 входит в любое подполе поля Р, а следовательно, и в Р. Так как в Р дано Нт ап = а, то существует натуральное п0 такое, что |ап —при лю- бом п^>п0. Это означает, что Итап — а также и в поле Р. Тео- рема доказана. Определение 6. Полное, архимедовски расположенное поле называется непрерывным. В непрерывном поле задачи об отношении отрезков и извлече- нии корня из положительного элемента всегда разрешимы. К задаче об извлечении корня мы ещё вернемся в § 26. Скажем несколько слов об отношении отрезков. Если бы нам удалось расширить поле рациональных чисел Г до непрерывного поля Р" то по последней теореме последовательности рациональных чисел {а„[ и постро- енные выше для данных отрезков АВ и МЫ, были бы фундамен- тальными не только в Г, но и в Р. Так как поле Р полно, то они имели бы общий предел с [теорема 2, а)]. Элемент с по определе- нию можно принять за отношение данных отрезков, т. е. считать, что МЫ: АВ = с или МЫ=с- АВ. Это новое определение отноше- ния в случае соизмеримых отрезков согласуется, как выше пока- зано, с прежним определением (см. конец § 23). Но, в то время как прежнее определение годилось лишь для соизмеримых отрезков, новое определение даёт определённый элемент поля Р для любых отрезков независимо от их соизмеримости. В этом смысле задача об отношении отрезков разрешима в непрерывном поле Р. Мы рас- смотрели эту задачу лишь для иллюстрации важности понятия непре- рывного поля и не можем остановиться на этой геометрической задаче подробнее. Заметим уже без доказательства, что определённое выше отно- шение отрезков обладает всеми нужными свойствами. Именно, для любых отрезков АВ и CD и любых элементов с^>0 и d^>0 непре- рывного поля Р будет: а) из c<^d следует: с- AB<^d- АВ; б) (с-j-d) АВ = с АВ-j-d АВ; в) c(AB^-CD) = c-AB^~c-CD. Далее, для любого отрезка АВ и любого элемента с^>0 из Р суще- ствует отрезок МЫ такой, что МЫ: АВ = с. К задаче о длине отрезка сводится задача о длине окружности. Мы строим две последовательности правильных многоугольни- ков (вписанных и описанных) путём удвоения числа сторон. Зная
202 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ отношение отрезков, мы можем найти периметры ап и Ьп п-го вписанного и n-го описанного многоугольника. Известными из школы рассуждениями можно показать, чтоо^С^аа*^_________ и bt^> Далее ап<Ьп и lim(Ьп — ап) = 0. Отсюда легко вывести, что обе последовательности, {ап } и { Ьп элементов поля Р фундаментальны и в силу полноты Р имеют в нём общий предел с. Элемент с поля Р по определению принимается за длину окружности. Аналогично определяется длина дуги данной окружности. Можно показать, что длина дуги заключена между нулём и длиной окружности с и, обратно, для каждого элемента с' поля Р такого, что 0<^с'<^с, можно найти дугу данной окруж- ности длины с'. В этом смысле задача о длине дуги окружности также решается в непрерывном поле Р. В следующем параграфе мы увидим, что непрерывное поле и будет полем действительных чисел. § 25. Определение поля действительных чисел В поле рациональных чисел Г не всегда выполнима операция предельного перехода для фундаментальной последовательности, т. е. поле Г не является полным (§ 24, теорема 4). Следуя общему плану расширения числовых совокупностей, намеченному в § 18, мы расширим поле Г до нового поля D, в котором было бы опре- делено расположение и любая фундаментальная последовательность имела бы предел. При этом мы хотим, чтобы операция предель- ного перехода, не всегда выполнимая в Г для фундаментальных после- довательностей, в новом поле D для тех же последовательностей из Г была уже выполнима. Стало быть, фундаментальные последо- вательности из Г должны оставаться фундаментальными и в D. Это означает, что D должно быть полным и архимедовски распо- ложенным полем (§ 24, теорема 5). Иными словами, D должно быть непрерывным полем. Как и в случае целых (§ 20) и рацио- нальных (§ 22) чисел, мы ищем минимальное расширение с нуж- ными свойствами. Однако оказывается, что условие минимальности будет выполнено само собой, так как требование непрерывности определяет поле однозначно с точностью до изоморфизма. Поэтому было бы излишним включать в определение требование минималь- ности. Так, мы приходим к определению: ’ Определение 1. Полем действительных чисел называется непрерывное поле D, содержащее в качестве подполя поле рацио- нальных чисел Г. Элементы поля D называются действительными числами. Доказательство существования и единственности поля D, удо- влетворяющее этому определению, проходит аналогично случаю кольца целых чисел (§ 20) и поля рациональных чисел (§ 22). Нач- нём с доказательства единственности.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 203 Теорема 1. Расположенное поле Р, содержащее note рацио- нальных чисел Г1), архимедовски расположено тогда и только тогда, когда каждый элемент поля Р равен пределу последова- тельности рациональных чисел. Доказательство, а) Пусть элемент а поля Р равен пре- делу последовательности рациональных чисел {<*„}. Тогда сущест- вует k такое, что | ak — а|<^1, откуда а^|а| = |(а —ай) + а*|^|а —a*| + |a*|<l-]-|aft|. Так как 1 —|— | I — рациональное число и поле рациональных чисел архимедовски расположено, то существует натуральное число п такое, что 1 -j- а^\<^п. Тогда а<^п, т. е. поле Р архимедовски расположено (§ 10, ХГ). б) Пусть поле Р архимедовски расположено. Тогда для любого элемента а из Р и любого натурального числа п существуют нату- ральные числа т2 и /л2 такие, что 1 . 1 . tn, • - у>а и т.2 • j> — а, 1 п * п откуда (—т2) • п<^а. Следовательно множество А тех целых чисел I, для которых 1-~^а, ограничено сверху числом т, и непустр, ибо содержит целое число —/м2. Поэтому множество А содержит наибольшее число т (§ 21, теорема 5). Тогда, очевидно, т -scz а <Р —Т—1. Вычтя т из обеих частей неравенства, найдём: п п II г О^а — — << Положим — =а„ и покажем, что lima =о. Для п п п п п любого е^>0 из Р существует натуральное п0^>--, откуда ап — а\—а—ап при любом к^>и0. Это и значит, что Итап — а в воле Р. Теорема 2. Все поля действительных чисел изоморфны, т. е. поле действительных чисел определено однозначно до изоморфизма. Точнее, если D, и D2 — два поля действительных чисел, то суще- ствует только одно изоморфное отображение D, на D.2, сохра- няющее отношения порядка. При этом изоморфизме рациональ- ные числа остаются на месте. В частности, существует только одно изоморфное отображение поля действительных чисел на себя, сохраняющее отношения порядка, а именно тождественное. (В силу теоремы 2 из § 23 данная теорема остаётся справедливой *) Условие Pro Г можно здесь и ниже опустить, заменив рациональные числа на рациональные элементы поля (§ 22, теорема 2).
204 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА и ПОЛЯ для любых непрерывных полей с заменой рациональных чисел рацио- нальными элементами '). Доказательство. Строим отображение f поля в поле D2 следующим образом. Пусть dt—любой элемент поля D,. Так как Dl архимедовски расположено, то по теореме 1 dt — liman с рацио- нальными ап. Таким образом, последовательность {а„| фундамен- тальна в D,, а потому и в его подполе Г. Так как ГсгП2 и D2 архимедовски расположено, то последовательность ^ап}, фундамен- тальная в Г, будет фундаментальной и в D2 (§ 24, теорема 5). Так как D2 полно, то lim an— d2 в D.2. Мы положим /(d^ — d2. Покажем, что элемент d2 не зависит от выбора последователь- ности рациональных чисел {аД. Если еще lim&n=dj с рациональ- ными Ьп, то lira ап= lim bn, откуда lim(an — Ьп) = 0 [§ 24, тео- рема 2, а)] в Dj, а следовательно, в Г. Рассуждая, как выше, мы найдём, что lim(an— Ьп) = 0 в D2 и lim an = lim — d2. Если dt— рациональное число, то lim an — dt, где an = dl при любом п. Таким образом, /(d1) = d1, т. е. отображение f оставляет на месте рацио- нальные числа. Если Cj^d, и Cj = liman, d1 = limfen, то lim (ап — bn~)^0 и lim an lira в D2, т. е. /(q)^/№)- Итак, отображение f является взаимно однозначным отображением Dt в О2. Оно зависит от определения предела в Dt и D2, а потому зависит от отноше- ний порядка в этих полях. Покажем, что f есть изоморфное отображение D2 в D2. Надо показать, что для любых элементов q и d, из будет: /(п + /(Mi) =/(<>)/№)• Это легко следует из теоремы 2, б), в) § 24, именно, если q — lim ап, dt= lim bn, то, применяя определение отображения f, имеем: /(ci 4- d0 = / (lim ап + lim bn) =f [(lim («„ -j- £„)] = = Hm/(a„ + bn) =lim I/Ю +/(^n)] = — Ц-lim/(&„)=/(lim an) 4-/(lim bn) = =/(q)4-/№), и аналогично доказывается второе равенство. Покажем, что отображение f сохраняет отношение порядка. Пусть q<^dt в поле Dt и с{ — lim ап, dl = limbn. Тогда сущест- вует п0 такое, что ап<^Ьп при любом п^>п0 [§ 24, теорема 2, д)] и liman^limfen в D?, т. е. /(q) ^/(dj. Но из с, ф d2 следует: /(с,) /(dj). Таким образом,/(q)<4/(dj). Покажем, что f является единственным изоморфным отображе- нием Dj в Dit сохраняющим отношения порядка. Пусть g— другое *) В § 26 мы увидим, что ограничение изоморфизмами, сохраняющими отношения порядка, можно отбросить, так как иоле действительных чисел допускает единственное расположение.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 205 отображение такого рода. При изоморфизме g поле рациональных чисел Г, содержащееся в Dlt отобразится изоморфно на поле рацио- нальных элементов поля D.lt причём рациональное число г перейдёт в элемент ге, где е — единица поля О2 [§ 23, теорема 2]. Но П2 содержит Г, т. е. е — 1, ге = г • 1=г. Следовательно, g(r) = r для любого рационального г. Так как отображение g отлично от /, то существует элемент dl из D, такой, что a2=f(dt)^zg(di) — b3. Найдём рациональное число с, лежащее между а2 и Ь.2. Пусть, напри- мер, а2<^&2. Рассуждая, как и в доказательстве теоремы 1, пункт б), найдём сначала натуральное п такое, что —а2, а т т 4- 1 т, т -4-1 затем целое число т такое, что ----. Если с =-------, ’ п * i п п то получим: — (#2 - — а2) = bv Так как с = /(с) и f по доказанному сохраняет отношения порядка, то из f(dt)=a%<^c следует: dl<^c. Так как g(c)— с и g также сохраняет порядок, то , g(dl)^=bi<Zg(c) = c, что противоречит построению числа с. До сих пор мы не использовали полноты поля Dt. Стало быть, всё доказанное выше верно для любого архимедовски расположен- ного поля Dv Нам осталось доказать, что построенное отображе- ние f является отображением поля О, на всё поле П2. Для этого нужна полнота поля Dt. Надо для любого элемента d2 из О2 найти элемент dt из Dt такой, что /(rf1) = rf2. Так как D2 архимедовски рас- положено, то по теореме 1 d2~ lim«n с рациональными ап. После- довательность {а„}, фундаментальная в О2, будет фундаментальной в Гс:П2, а следовательно, и в поле /Дез!'. Так как полно, то существует t?i = liman в Dt. По определению /тогда /(rft) —rf2. Теорема доказана. Теорема 3. Любое архимедовски расположенное поле