Текст
                    АКАДЕМИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК РСФСР
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
ЭЛЕМЕНТАРНОЙ
МАТЕМАТИКИ
ПОЛ РЕДАКПИЕЙ
П. С. АЛЕКСАНДРОВА,
А. И. МАРКУШЕВИЧА
и А. Я. ХИНЧИНА
О	КНИГА ПЕРВАЯ
АРИФМЕТИКА
. ,. ПОГШ
.-«иГКДГИЧЕСНОГО
Колледжа НМУ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1951 ЛЕНИНГРАД


11-5-2 Редактор А. 3. Рывхпн. Техн. редактор И. Я. Мурашова. Подписано к печати 12/ХН 1950 г. Бумага 60X92'/1в. 14 бум. л. 28 печ. л. 30,11 уч.-изд. л. 44.444 печ. знак, в печ. л. Т-09193. Тираж 0000 эк». Цена книги 10 р. 55 к. Переплёт 2 р. Заказ J* 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- нескольких чисел 145 § 16. Вычитание и деление 150 § 17. Замечания о системе аксиом натуральных чисел 152 г*
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. Аксиоматическое 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. Хинчин) 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 II. Учёт 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- приближёнными значениями. Правила подсчёта цифр 400 § 11. Средние квадратические погрешности результатов дейст- действий 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 III. 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- факультетов педагогических и учительских институтов. Его назначе- назначение— 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- элементарную математику и уже ставших или готовящихся стать пре- преподавателями элементарной математики. Он не следует, как пра- правило, ни порядку, ни способу изложения математики в средней школе, так как то и другое обусловлено возрастными особенно- особенностями учащихся и общеобразовательными целями средней школы, т. е. соображениями, которые не играют роли по отношению к под- подготовленному читателю-профессионалу. Логика нашего издания — это логика систематического, по возможности простого и доступ- доступного, изложения тех вопросов математической науки, из которых строится школьный курс, а также и тех, которые хотя и не нахо- находят в этом курсе прямого выражения, однако необходимы для пра- правильного 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- страниц 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- отдельных статьях книги встречаются ссылки на ту или иную статью «Энциклопедии» х). Вот общий план издания: Книга первая. Арифметика. Происхождение систем счисления. Понятия множества, груп- группы, кольца и поля; теоретические основы арифметики. Элементы теории чисел. Устный и письменный счёт; вспомогательные сред- средства вычислений. 1) Ссылки на статьи из той же книги сопровождаются указанием со- соответствующих страниц; при ссылках на статьи, помещённые в других кни- книгах «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- графические 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- Элементарные функции комплексного переменного. Книга четвёртая. Геометрия, часть I. Топологические понятия. Основания геометрии. Понятие о не- неевклидовых 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- ма т 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. Башм^аковой и А. П. Юш- Юшкевича, посвященной системам счисления и нумерации, рассматри- рассматриваемым в культурно-историческом ра?резе. Далее идёт обширная статья И. В. Проскурякова, задача кото- которой заключается в построении теоретических основ арифметики. В двух первых главах статьи рассматриваются весьма общие мате- математические 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- изложение теории натуральных чисел; это — теоретический фундамент всей арифметики. На основе теории натуральных чисел развёртывается в порядке последовательного обобщения теория целых, рациональ- рациональных, действительных и, наконец, комплексных чисел. Автор знако- знакомит также с дальнейшими обобщениями понятия числа (гиперком- (гиперкомплексные 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- надобности 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- теорией делимости, в частности теория цепных (непрерывных) дробей и вопросы приближения иррациональных чисел посредством рацио- рациональных. 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- постепенном и весьма длительном формировании общего понятия нату- натурального числа, о развитии понятия дроби, о том прообразе позд- позднейшей теории действительных положительных чисел, который сло- сложился 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- натурального числа с помощью небольшой группы индивидуальных зна- знаков. Этого можно было бы достичь при помощи одного единствен- единственного знака 1 (единицы). Каждое натуральное число тогда записы- записывалось 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 вееьма проста, однако система эта является крайне неудобной. Для записи больших чисел она практи- практически 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 1 до 9 обозначаются индивидуальными сим- символами 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 где а,- могут принимать значение 0, 1, 2, ... , 9. Тогда число п. в позиционной системе запишется так: п = атат__1 ... ata0. Каждый символ at получает значение, определяемое: 1) его на- начертанием, 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- создании её принимали участие целые народы. Можно сказать даже, что
12 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ создание такой системы является делом всего человечества. Изве- Известный 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 она удиви- /тельна. Как нелегко было" притти к этой методе, мы видим на при- I мере# 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, б. Особенно широкое распространение десятич- десятичной 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- какими-либо особыми преимуществами, выделяющими её из позицион- позиционных систем с другим основанием. Выбор основания является прин- принципиально 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- названиях числительных вовсе не заметно того единообразия, которое имеет место в их записи. Так, в нашем родном языке, кроме раз- различных 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- высших 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 I 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- числительные сорок и девяносто 3). Числа, имеющие индивидуальные, не ') Сущность нумерации с произвольным основанием была впервые ра- разобрана Б. Паскалем в сочинении De numeris multiplicibus ex sola characte- rum numericorum additione agnoscendis («О делимости чисел, выведенной с помощью одного сложения их цифр», 1654, опубл. 1665). ") Число 40 в русской нумерации и у многих народов Востока играло особую роль, о чём будет сказано ниже. 8) Слово девяносто не относится к узловым (см. ниже). Есть предполо- аение, что оно возникло как сочетаниг «девять до ста».
ВВЕДЕНИЕ 13 разложимые на составные числительные наименования (сТдин, два, десять, сорок, сто, тысяча, ), мы будем называть узловыми. Числа, наименования которых получаются комбинированием наименсь~ ваний узловых чисел, мы будем называть алгорифмическими. Как мы увидим, отличие в наименовании тех и других отражает от- отличие в их происхождении 4). 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 «4eTbipe-flBafluaTb-flecHTb»,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- двадцатиричной 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- системы, 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- письменная нумерация, предшествовавшая появлению нашей позиционной системы, родственна по своей структуре устной нумерации совре- современных европейских народов. ') Различение «перстов» (числа до 10), «составов» (целых десятков) и «сочинений» (прочие числа в пределах до ста) имеется в «Арифметике» Л. Магницкого A703). Наиболее ранний известный пример подобного распре- распределения чисел встречается у Герберта в X в. (digiti, articuli, compositi). Оче- Очевидно, что мы имеем здесь дело с отражением того же разделепия чисел на 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- непозиционной с сильными следами пятиричной системы (индивидуальные сим- символы для 5, 50, 500). Все алгорифмические числа получаются в ре- результате 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- римской системе нумерации. Уже из сказанного понятно, что для вы- выяснения происхождения систем счисления (как современной пози- позиционной, 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- доисторические 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- варварства, судить об аналогичных периодах жизни предков современных культурных народов. К сожалению, долгое время собирание этно- этнографического материала составляло монополию миссионеров и коло- колонизаторов. А к концу XIX в., когда ходом развития науки внимание учёных было с особенной силой обращено к доисторическим вре- временам жизни человечества, то оказалось, что так называемых «пер- «первобытных» народов почти нет. Империалистическая политика капи- капиталистических 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- значение, в частности для разоблачения существующей буржуазной идеалистической «теории», согласно которой понятие числа и даже всего натурального ряда является у человека врождённым. Изве- Известно, 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- категорией 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- целые числа были созданы людьми, что и они — дело рук челове- человеческих. Среди буржуазных ученых XIX в. (Тейлор и др.) было также распространено мнение, что «первобытный» человек получал все свои знания о мире путём наблюдения явлений природы, сопоста- сопоставления с ранее виденным и логических выводов. «Первобытный» человек при этом выступал как некий философ-созерцатель. В дей- действительности 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- отношение человека к природе с самого начала выступает не как теоре- теоретическое, 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- овладевать при помощи действия известными предметами внешнего мира и таким образом удовлетворять свои потребности» 1). 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- основные 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- явились отражениями свойств и отношений реальных предметов внеш- внешнего мира. «Понятия числа и фигуры, — писал Энгельс, — заимствованы именно из действительного мира. Десять пальцев, на которых люди учи- учились считать, т. е. производить первое арифметическое действие, представляют что угодно, но только не свободное творение рас- рассудка. Для счёта необходимы не только объекты счета, 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- натуральном ряде на первых стадиях культурного развития человечества, и проследим, как, постепенно меняясь и совершенствуясь, они до- достигли современного уровня. ) К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XV, стр. 461. 'j К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XIV, стр. 452. "К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XIV, стр. 39. ¦1
НЛЧ\ЛЬН\Я СТАДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЁ1Л 17 К сожалению, материалы, имеющиеся в нашем распоряжении, не позволяют достаточно определенно связать различные этапы разви- развития счёта с данной Энгельсом в работе «Происхождение семьи, частной собственности и государства» периодизацией доисториче- доисторических 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- образуют 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- способе умножения и деления, в системе египетских дробей 2), в том, что во многих языках, например в старославянском, наряду с един- единственным и множественным числами имеется и двойственное число3). ') Для устной и письменной нумерации двоичная система неудобна, так как запись чисел в ней слишком длинна (например, число 777 в пей запи- запишется 1100 001001), по она имеет и существенные преимущества. На принципиальные достоинства двоичной системы первый обратил вни- внимание Лейбниц, отмечавший особую простоту операций в ней (таблицы сло- сложения и умножения сводятся к l-j-l = 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 длнпнот, 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- обстоятельство, что при сведении чисел к пристейшим началам, каковы 0 и 1, всюду выявляется чудесный порядок» (в Explication de l'arithmetique binaire, qui se sert des seals caractferes 0 et 1, avec des remarques sur son utilite, 1703 в Leibnizens mathematische Schriften, hsg. v. C. I. Geihardt, т. VII, Halle, 1863, стр. 225; ср. там же письма Лейбница к Шуленбургу от 1698 г.). Дей- Действительно, двоичная система оказалась весьма удобной в ряде теоретиче- теоретических 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- Производство вычислений па таких машинах' с избытком компенсирует затрату труда на переход от десятичной системы к дво.ичпой 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 A950). а) См. в параграфе, посвящёвном дрибям, о роли половинного ряда в старинных русских дробях. 8) В некоторых языках существовало и тройственное число как пере- пережиток троичной системы. На особую древность первых трёх числительных указывает и то обстоятельство, что во многих языках они в отличие от остальных числительных изменяются но родам (один, одна, одно; два, дне; лат. tres, tria). 2 Энциклопедия, кы. 1.
18 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ О числах выше 6 островитяне Торресова пролива говорят «много- много», «множество» или «неисчислимо» х). У некоторых племен слова «много», «неисчислимо» применяются для обозначения всех чисел ;э= 3. Таким образом, на этой стадии натуральный ряд является конеч- конечным 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- сосчитывать совокупности, состоящие более чем из дзух или шести пред- предметов. 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- осматриваются вокруг, и если нехватает хотя бы одной из многочисленных собак, которых они содержат, то они принимаются звать ее. На- Наблюдателя особенно удивило, каким образом, не умея считать, аби- поны способны были сейчас же сказать, что среди такой значитель- значительной 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- совокупность, во-первых, со стороны её целостности (все ли предметы данной совокупности имеются налицо), а во-вторых, в чисто по- порядковом 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- совокупностей предметов с едва намечающимися порядковыми соотноше- соотношениями. В настоящее время уже не известны народы, счёт кото- которых остановился бы на этой первой стадии, соответствующей в основном первой и второй ступеням дикости. «Счёт» числами-свой- числами-свойствами сохранился у некоторых племён только в качестве пере- пережитка. ') Следы того, что число 7 служило одновремевно для обозначения не- неопределённой 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 «АШОГО».
НАЧАЛЬНАЯ СТЛДИЯ 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- (австралийцы) 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- счисления. 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- исчерпана, 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- изображаются таким образом числа до' 33. Если пересчитываемая сово- совокупность имеет более 33 членов, то они прибегают к пучку пало- палочек. 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- индивидуализации чисел, а лишь для установления равночисленности двух совокупностей, или, иначе, для установления взаимно одно- однозначного соответствия между предметами обеих этих совокуп- совокупностей. 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 веревка, на которой при помощи узлов выражалось число, являющееся суммой чисел на первых четырёх верёвках. Узлы, обозначающие единицы, десятки и 2*
20 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ ¦'-¦ :. :V 7.?.- -"-.п ;/;¦¦..¦;:* ;.:;у;.,.;^>:^:;;- -... ;¦ Рис. I
НЛЧА1ЬН\Я СТ1ДИЯ РАЗВИТИЯ СЧЕТА 21 сотни в данном числе, были различно.1 формы. В. период владыче- владычества инков (XI—XVI вв. н. э.) при помощи таких квипу «записы- «записывались» настоящие бухгалтерские отчёты. Такие ^ерёвки с узел- узелками служили только для записи чисел'). Для производства ариф- арифметических операций употреблялись камешки или зёрна маиса. Однако число на этой стадии не воспринималось как то общее, что имеют между собой все равночисленные совокуп- совокупности. Тогда просто удовлетворялись констатированием равно- численности. В тех случаях, когда сосчитываемая совокупность содержала небольшое количество предметов (=s 20), обычно выбиралась не- некоторая определённая совокупность из множества совокупностей, имеющих одинаковое число предметов, и про остальные совокуп- совокупности этого множества говорили, что в них столько же предметов, сколько в этой выбранной. Например, чтобы выразить, что в не- некоторой совокупности пять предметов, говорили, что в ней столько же предметов, сколько пальцев на руке. Общее свой- свойство всех равночисленных конечных множеств — число—-выража- число—-выражалось 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- тасманийцев 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- обозначения каждого вида рыб йл"и деревьев. Итак, эта фаза в истории возникновения отвлечённых чисел характеризуется изображением сосчитываемых множеств при по- помощи частей тела, особенно пальцев рук и ног, палочек, узлов верёвки и т. д. Несмотря на крайнюю примитивность этого спо- способа 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 распоряжепие Дария, данное им ионийцам после перепрапы через реку' Истр во время предпринятого им похода па скифов (VI в. до н. э.): «После этого царь заиязал на ремне шестьдесят узлов, позвал на совещание всех ионинских тиранов и сказал им: „прежде высказанное мною решение относительно моста, ионийцы, я от- отменяю; теперь возьмите зтот ремень и поступите так: пачипая как раз с того временя, когда я пойду па скифов, развязывайте на 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 на 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 соотзетствие. Такой способ счёта при своём дальнейшем развитии привёл к созданию пятиричной, десятичной и двадцатиричной систем счис- счисления. 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-али" (одна нога, две ноги). Если нужно.счи- нужно.считать 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- говорилось, связано было и деление на «персты» и «суставы». Все вышеописанные стадии развития числа можно отнести ориен- ориентировочно к периоду дикости. С дальнейшим развитием общества всё больший круг совокуп- совокупностей попадает в число сосчитываемых. Простое установление равночисленности и ручной счёт уже не могут удовлетворять но- новых 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- другом направлении. Появившаяся новая система счёта может быть названа групповой или иначе счётом при помощи чисел-совокуп- чисел-совокупностей. Зародыши такого счёта имелись и на более ранних ступенях развития. Так, наблюдатели отмечают у островитян западной части 1) H. Миклухо-Маклай, Путешествия, Изд. АН СССР, 1940, т. I, стр. 280. 2) Ещё в 1529 г. в Базеле вышла написаппая задолго до того книга Беды Достопочтенного F72—735), в которой излагаются способы счёта на пальцах, причём счёт этот распространяется на псе числа вплоть до мил- миллиона. Сравнительно до недавнего времени счётом на пальцах пользовались китайские и монгольские купцы.
НАЧЛЛЬНЛЯ СТЛДИЯ Р\ЗВИТИЯ СЧЙТА 23 Торресова пролива «отчётливо выраженную склонность считать группами по два, попарно». То же самое отмечает другой наблю- наблюдатель 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- определённого вида предметов предметы эти всегда соединяются в определённые, устойчивые группы. В качестве пережитка такого счёта упомянем счёт дюжинами, вплоть до наших дней сохраняю- сохраняющийся в Европе для некоторых групп вещей (рубашки, стулья, посуда, карандаши, резинки, перья). При этом дюжина образовы- образовывала единицу счёта, дюжина дюжин составляла гросс, а дюжина гроссов — массу1). Особенное распространение такой счёт имел у племён, стоявших на первых двух ступенях варварства. Посте- Постепенно каждая такая устойчивая группа получала название, которое выражало как вид сосчитываемых предметов, так и их число. Та- Такого рода группы, с помощью которых вёлся счёт, мы и будем называть числами-совокупностями. На островах Фиджи и Соломоновых 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- кокосовых 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 Ц) яиц, на-банара —10 корзин с продовольствием, но отдельно слоео «на>, которое соответствовало бы числу 10, не употребляется. На одном из диалектов индейцев Западной Ка- Канады 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 показывав*, 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- приписывается 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- отвлечённых чисел ещё не существовало. Постепенно устойчивые числг- совокупности начинают рассматриваться как новые единицы, кото- которыми 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 некогорых 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- плоских предметов, 3) круглых предметов и деления времени, 4) лю- людей, 5) длинных предметов (числа при этом комбинируются со сло- словом дерево), 6) лодок, 7) мер. Пережитки счёта числами-совокуп,- 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- различными в разных числах. Ещё Диофант (III в. н. э.) после цифр, выражающих некоторое число, всегда ставил М — первую букву слова uovac — 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- универсальные числа, т. е. такие, с помощью которых можно считать лю- любые предметы. Однако числа-совокупности явились прообразами только наших узловых чисел. Если счёт вёлся десятками, двадцатками или дюжи- дюжинами 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- понятия, и количественные отношения между ними были бы совер- совершенно неясны. Мы покажем далее, что алгорифмические числа воз- возникли путём комбинаций узловых чисел как результат опера- 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- характеристики определённого способа размещения. Если число предметов устойчивой группы, с помощью KOTOpofi ведётся счёт, равно 10, то первые 10 чисел не сопровождаются этими глаголами. Этот факт
НЛЧЛЛЬНЧЯ СТАДИЯ РЧЭВИТИЯ СЧЁТЛ 25 исследователи объясняют особенностями счёта у индейцев. 10 пер- первых 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- кратных 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- сохранились во многих языках. Так, у нас в русском языке числитель- числительные 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- определённого расположения предметов могут служить числовые обозна- обозначения ацтеков г) в XV—XVI вв. Так у ацтеков число 6 обозна- обозначалось • • I -, 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. t 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 стожения, однако наряду с ней принимают участие^вычи- тание и умножение. Так, упомянутые выше йорубы имеют следую- следующую систему чисел: 11 = 10+1. 12 = 10 + 2, ..., 15=10 + 5, 16 = 20 — 4, 17 = 20 — 3, . ., 19 = 20—1. Число 20 является новым узловым; с его помощью образуются датьнейшие числа, причём в их образовании принимают участие как ') Индийское племя, прожипающее 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- однородным, 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- обозначения всех чисел ^=3 или ^10, отодвигаются всё дальше, обозначая числа ^100, ^1000 и т. д. '). Следующий шаг заклю- заключается в том, что это слово, означающее первоначально неопреде- неопределённое множество, становится названием чисел 100 или 1000 в зави- зависимости 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- обозначения сколь угодно больших чисел. ') Одпим из ярких примеров такого рода предельных чисел является число 40, которое служило в русском счёте для обозначения пеопреде- лённо большого множества. На такую роль этого числа указывает как его индивидуальное пазвапие, так и сохранившееся в качестве пережитка упо- треблепие его для обозначения неопределёипо большого количества пред- предметов — сорок сороков церквей, сорок сороков чёрных соболей. На ту же роль числа 40 указывает ряд связапиых с пим религиозных обычаев и народных поверий: например, сороковой медведь считался последпим в жизпи 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 Сасунский»: «Спустился в яму Мсра-Мелик. Вот сорок буйволовых шкур взвалили па пего, Огромных сорок жерновов взвалили на него...». Кончается эпос поминапием всех его героев: «Великих Тфлотцев наших — сорок раз помянем добром* Санасара и брата его Богдасара — номявем 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- основание 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 алгоритмические числа этой второй системы составлялись путём комбинаций второго узлового числа с первым. Такие алгорифмичс- 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- узлового 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- числами здесь являлись единица Ц , десять ft, сто ^ и тысяча Т -), а 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- характер; О означает 10 единиц и не может означать, например, 10 де- десятков или 10 сотен. Алгорифмические числа в египетской системе получаются вполне единообразно при помощи единственной ариф- арифметической операции — сложения. Например, число 333 записывается в этой системе так: 1) Читатель, знакомый с капторовской теорией трапсфинитов, легко за- заметит сходство подобного способа образования патуралыюго ряда со спо- способом, употреблённым Каптором. Действительно, Кантор вводит два прин- принципа образования трапсфинитов: 1) взятие кратпого и прибавление единицы, 2) введение нового индивидуального числа, рассматриваемого как предел предшествующих. Разница та, что в патуралыюм ряде это новое число^уже дано и всегда достижимо — это просто следующее узловое число. ¦ *) Полагают, что иероглиф (Ь являлся изображением мерительной ве- верёвки, делившейся на 100 частей, а иероглиф для тысячи Т — изображением цветка лотоса.
Таблица 1 Числовые знаки разных народов Египетские Иеро- Иероглифы 1 Иерати- Иератические г Демоти- Демотические 3 Л с сиро - -вави- -вавилонские Фини- Финикийские S Сирий- Сирийские 6 //альмир- ские 7 р Героди- ановы 8 Римские \ I I I и тт II II II II ш ттт III HI III ттт \\\\ IV DUO ттт тт У г V ¦ш ттт ит 7 п VI Dfifiil ттт ттт "У пи VII ттт тт II пи VIII 10 11 и Ой \ ттт ттт ттт III III III ПИП 7 Л \л 1Л AI IX X XI 1.1 1Л Л ТТТ ТТ лп XV Л с лл XX 70 ллд XXX 40 Г>0 Hi < а GO АЛЛА XL 700 L (И) 000 333 РА LX 70 SO м 7000 РАА LXX 0000 3333 РААА LXXX 100 200 400 1ГШ|Л! 70000 Г)ЗЗЗЗРАААА ттт»- PII 7" Г?" хс н нн сс нннн CD 500 «ч «I ТУ п D 1000 х м 10000 м ИГ ю7 И
НЕПОЗИНИОИНЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 29 Египетская система интересна ещё по той роли, которую там играет число два. Повидимому, оно служило первоначально осно- основанием системы счисления. Три было уже символом неопределённой множественности. Это видно из того, что для выражения множе- множественного 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- удвоения и сложения. Например, для умножения некоторого числа п на 15 египтяне поступали (схематически) так: л- 15=/z(l+2-f22-|-23) = /z- l-f« .2 + л-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- финикийская, сирийская, пальмирская, критская, греческая геродианова или аттическая (см. табл. 1). Аттическая или геродианова нумерация '), как показывает сзмо 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—Л, 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- областях Г служила для обозначения буквы II, поэтому писалось FENTE), десять —ДЕКА, сто — HEKAT0N, тысяча—XIAI0I и десять тысяч — MTPI0I. Числа 50, 500 и 5000 записывались путём комби- комбинирования знака для пяти со знаками для десяти, ста и тысячи: рп =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- римская система нумерации. Подобного же типа (с применением вычи- вычитания), 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. и. э., из произведений которого западноевропейские учёные впервые узнали об аттической нумерации.
Таблица 2 Числовые знаки 0 1 2 3 4 5 G 7 8 9 10 15 20 30 40 50 (JO 70 80 90 100 200 400 500 1000 sooo 10000 /famaa'c/a/e Старые —. ли. т ж -fc Л А + if И -г i- + -fc -t- Л л. t й Fi" Л й Коммер- Коммерческие г О 1 м -I. t t II t t JL t f r? -f 7 и 3 о 1 II III Illl Illii T TT TIT ж IO I— HO IIIO НПО IIIIIO TO TO ?O ЖО IOO IIOO IIIIOO IIIIIOO IOOO T1TOOO IOOOO разных народов Цифры парошти. ? I И III X IX НУ. XX 7 3 333 XI til Цифры пещерной подписи Нсзик S — 7 ? е у. V Г УЬ 1 Р Цифры сцтекое в • '. '. % m * 1 • * • • m m • о О:: Р ро РР рро ррр РРРо РРРР PFPiPo | i iJ III Ф Цифры племена Майя 7 • •• • .. * * *¦ '' *¦¦" ел
АЛФАВИТНЫЕ СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 31 нумерация имеет очень древнее происхождение, причём известно, что раньше принцип вычитания применялся ещё шире. Так, 8 обозна- обозначалось ИХ. Само начертание «цифр» было заимствовано римлянами у более ранних обитателей Италии — этрусков. Знак для числа десять у этрусков был -J- или X. причём римляне переняли эту последнюю форму. Пять этруски писали \/ или /\ — это была по- половина знака для десяти. Этрусское 50, писавшееся, как | , обра- обратилось сначала в J,, затем в _J_ и, наконец, в [_. Римский знак для ста С произошёл от этрусского знака ©, который обратился в ф, а затем и в С, и т. д. Интересно отметить, что наряду с принципом сложения и вычи- вычитания римлянами употреблялся своеобразный принцип «деления». Так, знак для пяти есть половина знака для X. Более отчётливо этот принцип выступает в двадцатиричной непозиционной системе ацте- ацтеков. Число 400 там обозначается так: J , 300== J , 200= | и 100 = Ближе к позиционной системе стоят системы счисления с муль- мультипликативной 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- системе 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- позиционности. 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- (двадцать = 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- алфавитных систем могут служить ионийская система нумерации (Древ- (Древняя Греция), славянская система (кириллица и глаголица), еврей- еврейская, арабская, а также грузинская и армянская системы нумерации. Системой счисления, приближающейся по типу к алфавитной, является египетская иератическая система (см. табл. 1), существо- существовавшая наряду с иероглифической уже в Древнем Египте за 2000 лет
32 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ до н. э. Она употреблялась в хозяйственных отчётах и других офи- официальных документах, а также в математических папирусах (записи в обоих древнейших математических папирусах: Московском и Райнда сделаны по иератической системе), тогда как иероглифиче- иероглифическое 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, естесгвенных при вся- всякой скорописи. Однако при этом числа от 1 до 9, которые обо- обозначались при иероглифическом письме простым повторением сим- символа 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 10". Таким образом, иератическая система счисления принципиально отличалась от иероглифической. На важность этого нового прин- принципа, 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- представляет 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- иероглифическими нумерациями. Мы будем подробнее говорить о его пре- преимуществах в связи с алфавитной системой обозначения чисел. К тому же типу, что и египетская иератическая, относится и син- сингалезская нумерация. В самом Египте примерно в VI в. до н. э. получило распространение демотическое письмо, являющееся даль- дальнейшим видоизменением иератического; в Греко-римскую эпоху оно стало в Египте общепринятым. Алфавитная система нумерации впервые, повидимому, была при- применена в Греции. Древнейшая надпись, сделанная по этой системе, относится к середине V в. до н. э. (Галикарнасс 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) С h. В о у е г, Fundamental Sleps in the Development of Numeration, Isis, 1914, № 100, т. 35, стр. 158.
АЛ &АМ1ТНЫЕ* СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 33 тельных букв алфавита (табл. 3). В греческой и славянской нуме- нумерации 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: с^ (дигамма) для числа 6, С/ (коппа) для 90 и 3 (сампи) для 900 (см. первый столбец табл. 3). Число 444 по этой системе записывалось так: ojxo. В римской системе нумерации это число имело бы вид: CDXLIV, а в аттиче- аттической системе ННН НАДДД1М1. Уже этот пример показывает неоспоримые преимущества алфа- алфавитных систем. То, что алфавитные системы явились нумерацией нового, более высокого типа, доказывается и всем ходом истори- исторического развития. Возникнув в торговых греческих колониях, ионий- ионийская нумерация быстро стала распространяться в Аттике, вытесняя освящённую традицией геродианову систему, которую поддерживали и власти, долгое время разрешавшие применять в официальных до- документах только геродианову нумерацию. Здесь мы видим ещё одно подтверждение сталинского положе- положения 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- Птолемее 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 решительнр 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- числами, 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- ионийская система удовлетворяет,, причём запись чисел в этой системе гор.аздо короче, чем в аттической. Чтобы проверить, насколько трудно производить вычисления в этой системе, французский исто- историк математики П. Таннери в 1882 г. овладел ионийской нумера- нумерацией и применил её к выкладкам, необходимым для вычислений в «.Измерении круга» Архимеда. Он убедился при этом, что ионий- ионийская система имеег 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 Эшшклоиедцц, кн. 1.
Таблица 3 Алфавитное обозначение чисел 1 3 4 5 г. 7 S 10 20 :;<> to :>o CO 70 so tH 100 200 300 400 500 <;oo 700 N00 <H0 1000 2000 3000 4000 :>ooo r>ooo 7000 sooo «000 10000 20000 Грече- Греческое 1 a Д 7 д ё г в т К X д о 7Г р а т п 0 X Ф со э /У х а м CflJBHh Кирил- Кириллицей г а 5 г" Л s г • ii о' Т к л U ii 0 ii р *<; Т V •- ¦ X (V> N ^а Л Л л ® (К) ickoe Глпго- лицса ч? 6h э л? л •р э г ь я lrlJ 3> «ih(p О Еврей- Еврейское : т п 1 т п D D S Р п рП Л СП ЛЛ У Сирий- Сирийское 5 1 ? от о 1 v> >° > -Л z Дрпё- ское 6 \ v> 8 3 ъ Г о и* е 0 •to чЗ t • & Грузин- Грузинское 7 6 h 3 a 3 % o? о 3 9 6 1 I 0 Э э 0 Дрмян- ckre 6 \\ V* lb b l: (\ К 1» \v l| [V ;", 'I, n II' A s I1 1 ii Ь *1» О
АЛФАВИТНЫЕ СИСТЕМЫ НУМЕРАЦИИ 35 схеме. К мнению П. Таннери присоединился и Т. Хисс. В упомяну- упомянутой выше статье Бойер развивает дальше мысль о том, что лёг- лёгкость 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- недостатком системы, так как, во-первых, запоминание это производи- производилось 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 x-|-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- оперирования с ними при позиционной схеме вычислений алфавитная си- система была почти так же удобна, как и позиционная. Но в алфа- алфавитной системе непосредственно нельзя было записывать достаточно большие числа. Для этого пришлось к алфавитной системе приба- прибавить новые принципы. Попытки записать в этой системе числа больше тысячи привели к обозначениям, которые можно рассматривать как зачатки пози- позиционной системы. Так, для обозначения тысячи применялась та же буква, что и для обозначения единицы, но снабжённая чёрточкой слева внизу (см. табл. 3): о=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 Ч лось знаком М; знак М означал 20 000 и т. д. Здесь уже приме- няется мультипчикативный принцип. При этом М можно было за- записать ещё как Cм или М[3. Если коэффициент М записывали позади соответственной буквы, то часто он заменялся просто точкой. На- Например, 43 458 записывалось так: B.^ov-»]. 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 B87—212) и Аполлоний B65?—170), довольно близко подошли к мысли о позиционном принципе обозначения. Архимед в «Исчи- «Исчислении 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- последующих октад обозначались так же, как и числа первой октады. Аналогичную группировку дал в своём «Быстросчетчике», до нас, к сожалению, не дошедшем, Аполлоний, только вместо октад он пользовался тетрадами A04). Все числа от 1 до 104—1 он объеди- объединял в первую тетраду, от 104 до 108—1—во вторую и т. д.1). И всё же ни Архимеду, ни Аполлонию не пришла мысль о еди- единообразном обозначении всех чисел с помощью 10 знаков (напри- (например, 10 первых букв алфавита) по позиционному принципу, ни тем более мысль о введении нуля. Это обстоятельс!во, как отмечает и М. Я. Выгодский, объясняется тем, что «ионийская система нумерации в пределах чисел, с кото- которыми греческим математикам приходилось оперировать, вполне удо- удовлетворяла требованиям практики»2). Поэтому даже тогда, когда греки уже применяли дчя дробей шестидесятиричную систему, заим- заимствованную 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- Византии уже задолго до Максима Плануда (XIII в. н. э), не полу- получила там всё же распространения, и общеупотребительной про- продолжала оставаться алфавитная нумерация. *) Тот же принцип применяется в приводимом Аполлонием способе умно- умножении, совершенно аналогичном нашему. Умножение двух чисел, кратвых 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. V М. Выгод с к н 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- резолюций и т. д., подобно тому как некогда были занумерованы буквами двадцать четыре песни «Илиады». Однако алфавитный спо- способ 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- записанными 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- Кириллу (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- буквам 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» ( в ) имела числовое значение 9, хотя она стояла в славянском алфавите на предпоследнем месте, ибо соответствующая ей в греческом алфа- алфавите буква 6 отвечала числу 9. Этих особенностей совершенно не было во втором славянском способе обозначения чисел — глаго- глаголице *). Там числовые значения букв идут в строго алфавитном по- порядке. 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 знгк $( . В славянском языке сложились две системы наименования выс- высших 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- обозначала 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 A012), леодр в первой—10 легионов, т. е. миллион, а во второй — легион ле- легионов A024). Далее счёт шел на десятки, сотни и т. д. до ста •) Глаголица — одна из славянских азбук, происхождение которой не вы- выяснено точно до сих пор. Возможно, что глаголица предшествовала кирил- кириллице. 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 A048), называвшийся вороном. Иногда 10в0 именовали колодой. Из одной рукописной грамматики XVII в. известны старинные обо- обозначения высших разрядов в «великом числе словенском».-Буквы алфа- алфавита, соответствующие числам 1—9, обведённые кружком О. обозна- обозначали тьмы, обведённые кружком из точек О —легионы, а круж- кружком из лучей {"") — леодры. Символ i-2-': служил для обозначения ворона; колода обозначалась &'). Несомненно, что обе эти системы нумерации, известные нам из рукописей XVII в., возникли значительно ранее. В русских матема- математических рукописях XVII в. применялась уже современная система нумерации, вытеснявшая алфавитную. Вместе с алфавитной системой из обихода исчезли и описанные устные наименования высших де- десятичных 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- впервые введено в XIV в. в Италии для обозначения «большой тысячи», т. е. A000J. Первоначально оно, невидимому, явилось названием конкретной меры-—10 бочонков с золотом. В XV—XVI вв. это слово распространилось и в других европейских странах. Француз- Французский учёный конца XV в. Николай Шюке ввёл слова биллион (byllion), триллион (tryllion), квадриллион (quadrillion), , нониллион (nonyl- lion) для обозначения степеней миллиона: A 000 000J, A 000 000K,... ... , A 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 A 000 ОООJ = 1019 получил значение 10". Слова триллион, квадриллион и т. д. стали обозначать соответ- соответственно 1012, 101В, ... Однако в Англии, Германии и других северо- североевропейских странах слова эти до сих пор означают 1012, 1018, 1024, ... § 4. Поместные или позиционные системы счисления Первой известной нам системой счисления, основанной на по- поместном 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- повторения этих двух знаков по тому же аддитивному принципу, по •) См. В. В. Б о б ы н и н, Очерки истории развития физико-математиче- знаний в России, вып. I, M,, 1855, стр. 45—47,
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 39 которому строилась, например, египетская система нумерации. Число 32 в этой системе выглядело так: ({ОТ. Направление письма шло слева направо, причём вначале всегда ставились десятки, а затем единицы. Отдельные клинья при напи- написании чисел, содержащих более четырёх десятков или более четы- четырёх 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 59, только каждый символ имел в шестьдесят раз большее значение. Напри- Например, число 82 записывалось так: Т((П . 22 Однако эта- же самая запись могла означать и 1 „^. , или 82 • 60 и вообще 82 • 60±fc. Более того, эта же запись могла соответство- соответствовать и числу 602 —J— 22 и всякому числу вида 60±fc -|~ 22 • 60±" и т. п. VW Таким образом, позиционная запись г 4 по шестидесятиричной системе н е имела, абсолютного харак- гю\? т е р а. Каково действительное значе- WV ние записанного числа, приходилось р всякий раз определять по смыслу за- задачи. Такой неабсолютный характер 5Я? ит $?& §?? позже записи обусловливался отсутствием уу il'l Vy/ также: в вавилонской системе цифр знака 9 ДЛЯ НУЛЯ. Отсутствие нуля на первых порах развития шестидесятиричной систе- 20 30 40 мы, когда приходилось оперировать со сравнительно небольшими числа- ми, не было столь ощутительным, как это может показаться. Так, легко подсчитать, что для записи по вави- вавилонской 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—у вв, до п. э.).
40 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Итак, система счисления вавилонян отличалась от современной десятичной позиционной системы (если отвлечься от различия в осно- основаниях 60 и 10) следующими двумя чертами: 1. Позиционный принцип в ней не был проведён вполне после- последовательно. 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- минуту — 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- конкурирующих гипотез, претендующих на объяснение появления этой, системы. М. Кантор первоначально предположил, что сумерийцы (первич- (первичное население долины Ефрата) считали год равным 360 суткам и что шестидесятиричная система имеет астрономическое происхожде- происхождение. 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- критиков 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- другого основанием системы было число 6 (возникновение такого осно- основания Кевич объясняет особым счётом на пальцах, в котором сжа- сжатая в кулак рука означала 6). Благодаря слиянию обеих систем возникло «компромиссное» основание, равное 60. Согласно Леф- флеру «благодаря наклонностям сумерийских жрецов к умозрению, их очень рано стали занимать игры с числами; они заметили, 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 кх можно произ- произвольно увеличить2). Последняя же гипотеза является даже анти- антиисторичной, так как системы счисления никогда и нигде не созда- создавались ни учёными, ни тем более жрецами «для научных целей», ни даже отдельными классами, а всегда были результатом длитель- длительного исторического развития, результатом творчества всего народа или нескольких народов. ') Е. Л е ф ф л е р, Цифры и цифровые системы культурных народов 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 элемептарпой 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 непозиционной. Имелись индивидуальные обозначения для единицы, 10 и 100, причём знак для 100 («meu») означал на сумерийском языке также неопреде- неопределённое 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 индивидуальных знаков для дробей у, -^ и -=-. 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- самостоятельный знак для 100. Система эта сходна по типу с египет- египетской, только в Египте разрядами, имеющими индивидуальные знаки, были 1, 10 и 100, а в Вавилонии — 1, 10 и 60. Разумеется, ни- никакого 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 для дробей -тр, -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- существовали 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. Обе системы были десятичными. При этом первоначально соот- соотношение 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- нормировке 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, ДО.—Л., 1937, стр. 120—125.
42 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ (т. е. -у , -„- и -д- её части!, выражались в меньшей единице (в ше- 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- установлено 1 :60 (это соотношение примерно соответствовало соотно- соотношению 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- ставившимися 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- позиционное 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- разряде подразумевалось конкретное обозначение соответствующей меры»*). 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- математических текстах, и является завершением создания неабсолютной позиционной шестидесятиричной системы вавилонян. Таким образом, согласно этой гипотезе основные этапы про- процесса 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- шестидесятиричная система оказалась вполне естественным конечным резуль- результатом 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) M. 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- другой, — натуральные дроби ещё ограничивались маленькой группой 112 2 ' "' ~3 *')' пРичСм ещё не было выработано регулярных про- процедур счёта. В изложенной гипотезе интересно стремление её автора связать процесс возникновения шестидесятиричной позиционной системы с развитием общественной экономики — систем мер, денежного хозяйства и т. п. Однако считать эту гипотезу твёрдо установлен- установленной теорией нельзя. Так, поддерживающий её в целом М. Я. Вы- Выгодский 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- шестидесятиричной системы в метрологии должно было предшествовать её на- наличие 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- различных 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- египетской, применявшаяся в повседневной жизни, и 2) позиционная абсолютная система, употреблявшаяся главным образом для кален- ') О. Н е й г е б а у е р, Лекции, стр. 124. а) 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 на правой руке, а затем на другой стороне суставов правой и левой руки в обратном порядке», но считал возможным, что оно возникло из смешения 4-ричной 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 СЧИС1ЕНИЯ 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: 12 4 Б 7 11 19 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 C60 дней). Это—един- Это—единственное 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- оперировали очень большими числами. Наибольшее число, найденное в их документах, есть 12 489781. Запись его в системе майя схемати- схематически будет выглядеть так: 12 489 781 12489781 =4A8 • 204) + 6 A8 • 203)-f -J- 14A8 • 202)-f-13A8 • 20)-}-15 • 20-f 1. Родоначальницей нашей современной нумерации была, повидимому, 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- количества 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- индивидуальными символами для 1, 4, 10, 20 и 100 (см. табл. 2). Осо- Особая 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- мультипликативный 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- записывались 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- буддизмом в III в. н. э. и где она сохранилась почти без изме- изменения. Происхождение цифр брами в точности не известно, но есть основания думать, что они арамейского происхождения2). 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- возможно, что знак нуля известен был Ариабхатге D76—550K). Однако первая точно датированная надпись, в которой встречается знак ') Предполагают, что сначала эти цифры, называемые сингалезскими, были начальными буквами соответствующих имея числительных. 2) Арамеи — аравийская семитическая народность, jBO второй половине 2-го тысячелетия до н. э. населявшая территории Сирии и части Месопо- Месопотамии и создавшая там ряд государств. 3) Знак нучя в виде точки встречается в так называемой Бахшалийской рукописи, точное время составления которой не известно. Различные иссле- исследователи датируют её но-разному—от И в. и. з. до VI11 и IX вв.
46 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ нуля, относится к 876 г.: в ней число 270 записано было в виде \'Jo1). 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- определённого 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- располагались на абаке. Нужно было только уметь обозначать пропуск того или иного десятичного разряда. Для этого и начали изобра- изображать немеченный жетон, представляющий собой кружок с дыркой посредине, так сказать, материализованную модель нуля. Его сначала обозначали жирной точкой, а затем стали писать кру- кружок О- Гипотеза эта не лишена остроумия, однако она не подтвер- подтверждается 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- существовал 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. E. Smith and L. С. К а г р i n s k 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- следующие образом. Принцип позиционности является по существу соедине- соединением двух принципов: 1) мультипликативности и 2) опускания при письме разрядовых единиц. Завершается позиционная система введе- введением 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- мультипликативная форма записи от аддитивной. С чисто алгебраической точки зрения запись, например, числа 30 в виде Шх или X является выражением закона дистрибутивности. Действительно: =IIIX или X1". 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- определённое множество единиц первого разряда принимается за еди- единицу 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- количества единиц различных разрядов применяются одни и те же чис- числовые символы, после которых отмечается, к какому разряду при- принадлежат сосчитанные единицы. Этой же записью подчёркивается, что объектами счёта могут быть элементы любой природы (вещи, определённые множества вещей, десятки их, согни 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- ведущие счёт на камешках или орехах, складывают их в кучки по 5 предметов в каждой. Пять таких кучек они объединяют в новую 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- поместного 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 подчеркивается 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- предметов 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 Xoyoi; имело своим корнем слово Хеу, что означает собирать. Иллюстрацией дальнейшего развития счёта, приводящего к муль- мультипликативной системе, может служить приводимый у Н. Н. Миклухи- Маклая пример счёта у туземцев Новой Гвинеи. Чтобы сосчитать количество бумажек, обозначавших число дней до возвращения корвета «Витязь», папуасы поступали следующим 'образом: «пер- «первый, раскладывая кусочки бумаги на колене, при каждом обрезке повторял „каре, каре" (один); другой повторял слово „каре" и заги- загибал 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- сделано для третьего десятка» 1). Подобным же образом происходит счёт стад у южно-африкан- южно-африканских племён (пример этот приводится Цейтеном). Для такого счёта нужны три человека: первый поднимает один за другим десять пгльцев 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- вторым, 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- первого, 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- совершенно общей, то она, конечно, имела место и в Индии. С древней- древнейших времён, как мы видели, в Индии существовали мультипликатив- мультипликативные числовые системы. Действительно, и система карошти и система ') Н. Н. Миклухо-Маклай, Путешествия, т. I, стр. 58, Издатель- з АН СССР. 1940 г. ство АН СССР, 1940 г.
ПОМЕСТНЫЕ ИЛИ ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 4У брами были построены по этому принципу. Таким образом, боль- большие числа записывались в Индии по той же схеме, что и в Вави- Вавилонии, 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- посвящена испытаниям по арифметике. Состязающиеся должны были, например, найти средство для выражения чисел, больших ста коти A коти =107). Победитель, Сарватасидда, придумал шкалу чисел, идущих в геометрической прогрессии со знаменателем 100, последним членом которой было число 107 + 96, содержащее 421 нуль. После этого он вычислил число «первичных атомов», заключённых в единице длины, для чего также составил таблицу обозначе- обозначений чисел. В Индии имелось и ещё одно благоприятное обстоятельство для возникновения позиционной системы. Мы упоминали уже о третьей, словесной системе обозначения чисел, находившей приме- применение в трудах по астрономии и математике. Система эта возни- возникла 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- позиционному принципу. Например, число 867 писалось: «giri — ra§a —vasu», т. е. горы G) — запахи F) — боги (8), при этом запись следо- следовала 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 dacan, 8. Такой способ обозначения подчёркивал равно- равноправность 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- позиционной системы нехватало последнего шага — введения нуля. Но при небольшом основании, каким являлось число десять, и при опери- оперировании со сравнительно большими числами, особенно после того, как названия разрядовых единиц перестали отмечать, такое введе- введение стало необходимым. При этом совершенно не существенно, был 4 Зншшлопедия, кн. 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 я России. Принцип поместного значения распространился из Индии в другие страны. Некоторые народы переняли у индусов только этот прин- принцип, сохрании своё старое начертание цифр (Китай), другие заимст- заимствовали 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- называемые цифры «губар» (табл. 4, 1-я строка), стали прямыми родо- родоначальниками наших цифр. Таблица 4 '2 3 4Б6789О 1197г. I ОкШе. |  Ъ Я <i (ГЛ 8 9 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- сношениям 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 этоп части своей теории Вёпке считал тот факт, что начертание цифр, сильно напоминающих цифры «губар», имеется в «Геометрии» римского учёного Боэция D80?—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- поместный принцип обозначения были заимствованы маврами у своих восточ- восточных единоверцев. К народам Европы начертание цифр и поместный способ обозна- обозначения перешли из Испании. Цифры эти назывались по-арабски «губар», т. е. пыль, песок. По мнению автора гипотезы, такое на- название служило напоминанием об индусском происхождении этих цифр (индусы записывали цифры на пыли или песке). С другой стороны, в самой Индии начертание цифр подверглось дальней- дальнейшему изменению, чем и объясняется отличие цифр «губар» от со- современных 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- позднее не подтверждается никакими историческими фактами и 2) «Гео- «Геометрия» 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 Вбпкё. 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- Бубнова: «История наших цифр представляет не более, как ряд пред- предположений, перемежающихся с произвольными допущениями, пронз- пронзав
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- обоснованной 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- времени 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- вертикальных столбцов, и к нему роговые марки с выбитыми на них девятью первыми числовыми знаками (апексами). По другим сведе- сведениям 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 (decem, 10), С (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 100 000. Последователи Герберта получили название абацистов. В течение ближайших веков абак значительно видоизменился: нуме- нумерованные 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- употребления 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- начиная 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»(ЬПЬег 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. О5разовалась целая школа арифметиков, придерживавшихся новых способов обозначения чисел и оперирования ими; она получила название школы алгорифмиков. Алгорифмики не употребляли абака при вычи- вычислениях. Они учили наряду с производством первых четырёх дейст- действий арифдштики ещё и извлечению квадратного корня, а также применяли шестидесятиричные дроби, в то время как абацисты поль- пользовались 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- правительств. Так, в 1299 г. во Флоренции купцам было запрещено пользоваться индусскими цифрами в бухгалтерии и приказано поль- пользоваться 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- значение, кроме приверженности к рутине, дороговизна бумаги, произ- производство 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- различных писателей 2) вплоть до изобретения в XV в. книгопечатания. ') Латинский перевод этого сочинения ал-Хваризми, сделанный в сере- середине XII в., опубликован Бонкомпаньи: Trattati d'Aritmetica, Roma, 1857. s) Вот как, например, варьировали в разных рукописях цифры для единицы: и для двойки: . 2., а~. /»¦./«, /7
54 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ Однако ещё в XIII в. новая система начала распространяться среди итальянских купцов. Преимущества её, связанные с последо- последовавшим 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- сочинении «Liber abaci» A202) й) 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- итальянскому 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- обозначения нуля. Например, в «Арифметике» Магницкого цифрой на- называется только нуль. Латинское слово nullus (никакой) вошло в обиход для обозначения нуля в XVI в. 4). В Германии, Франции и Англии новые цифры до второй поло- половины и даже до конца XV в. почти не употреблялись. Первые монеты с индусскими цифрами появились в 1424 г. в Швейцарии s), в 1484 г. — в Австрии, в 1485 г. — во Франции, в 1489 г. — в Гер- Германии и в 1551 г. — в Англии. На могильных плитах эти цифры появились впервые в Бадене A371) и Ульме A388). В 1488 г. была напечатана книга «Об искусстве счисления» («De arte numerandi»), известная также под названием «Algorismus», в которой без при- примеров и доказательств сообщались правила «индусской> арифметики. J) 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. s) 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- кружок) для обозначения «нуля» появляются в XII в. в латинских переводах и обработках арифметических сочинений на арабском языке. ") В Сицилии, тесней связанной с арабскими государствами, индусские цифры на монетах появляются ве позднее 1J38 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- немногим позднее, чем в Западной Европе, где с нею смогли познако- познакомиться ранее. .Уже во всех без исключения математических руко- рукописях 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- значения арабских цифр соответствующими славянскими или встречаю- встречающиеся время от времени обозначения данных чисел славянскими цифрами одними или же вместе с арабскими. Рукописи второй поло- половины XVII столетия не содержат в себе даже и этих незначитель- незначительных следов» 1). 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 16 И 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- числительная. 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 учбный М. В. Ломоносов, обозначения страниц — славян- славянские, но вычисления в тексте производятся исключительно на ') В. В. Бобынин, Очерки истории развития физико-математических теорий в России, вып. 1, стр. 43,
56 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ е т i к а ПРШДЖАА , ИБОбА" СОБРАНА 7 И НА ДЬ КНИГИ ^ \\ \Л\Л ЖС ПОБ? А^ШШ^ БЛГОЧГСТИБ^МШАГО) Б^ЛИКАГШ 1 ДСА НАОКГШ и ллааыа и п ^ ПРИ pujcciH И БМНКОМ^ б ГРДД'Ь МОСКБ'Ь ТНСНГЩШЪ ОДДН DUEOifHIA OTpOKU'61 -9 Н / М f JBO* , ЬТг A'kTO Ш COTBOffHiA ЛЯ1 ЗШ > tU ржТБА ЖГ ПО ПЛОТИ ьга сдоба ^д\|гг -, 1нд1кт4 а| 9 iahhVajia • 1ННД S i § § Титульный лист «Арифметики> Мэгницкого.
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- изображениях 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 1/i червонца с датой 1654 г. Чека- Чеканились они в основном не для денежного обращения, а для даре- дарений, наград и т. п. Непосредственно затем на обращавшихся в нашей стране западноевропейских талерах («ефимках») поставлены были клеима 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 действия2). 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, Ъ — целые и афО. 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- -отражалось 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 .Прип^=5 все дроби — обозначались вполне единообразно при помощи символа «=>, обозначающего «часть», под которым подписывался *) По данным И. Г. Спасского. 2) О трактовке дробей с этой точки зрения см. в этой книге статью И. В. Проскурякова.
58 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ символ для числа п. Так, -у^- обозначалось, как *?. Следуя при- принятой нами раньше терминологии, мы будем все такие дроби назы- называть алгорифмическими. Однако для обозначения -у вместо знака ft*, ко- который следовало бы ожи- ожидать, египтяне употребля- употребляли особый символ э. 1 ' % % % У. 3/ /4 Уе % Г 1111 [llllllj [р] Древнее царство i 11 """ Mil У ИНН Новое царство - и I т им i?" но ими Поздней- Позднейшее время Иероглифическое письмо * к ¦«ИУз'/.з Древнее Новое Иератическое письмо >¦> Л/ %У» 1 -);* Демоти- Демотическое письмо a ft* означал не -s- j 2 a s-. Символ -р-, кото- который, казалось бы, должен означать единицу, на са- самом деле служил для 1 3 обозначения -тг-; — в этих же записях обозначалось, как fj?. Впоследствии ij? уже служило для обозна- обозначения —, a -j по общему правилу представлялось, I , I „ как ~п~-\-~г • Но спеииаль- 1 2 ные значки для -=- и -=- со- Z о хранились неизменными. Такие же индивиду- индивидуальные обозначения, от- отступающие от общего правила, для группы небольших дробей име- имелись у вавилонян (рис. 4), греков и римлян. 1 Рис. 3. Так, -S- обозначалась у греков символом тогда как все обозначались символом для соответствующего 1 дроби — при nl числа п со штрихом справа сверху (например, ч' означало 4-, V 1 а символ рг, который должен был бы обозначать -=-, т. е. картина обозначений здесь та же, что и в Египте, Аналогично этому по-аккадски для обозначения -=- употреблялось выражение ?itta qata, т. е. «обе руки», а для -г- — salasta qata, т. е. «три руки». У римлян эти же дроби выражались словами bes (binae par* tes) и tres partes, т. е. две части и три части,
ДРОБИ 59 Нет ни одного языка, в котором слово для обозначения -=- являлось бы производным от слова «два». Так, по-латыни -к- назы- 1 взется semis (а два — duo), по-немецки -„- — halb, в то время как 2—- zwei, у нас по-русски: «половина» и т. д. Дроби Древнейшее, сумерийское начертание Позднейшее, аккадские 2 -е- ¦ ¦з" 2 3 <го Рис. 4. 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- происхождении. В то время как узловые дроби возникли непосредст- непосредственно 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- деления, 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- человеками поровну». Автор решения получает при делении остаток, равный 1 фунту. Для его распределения автор не прибегает к дро- дробям — он предлагает променять этот фунт на яйца, которых, как он устанавливает, придется 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- невозможно, он предлагает получившийся маленький остаток совсем отбросить. Деление здесь не приводило, таким образом, к дробям, но осуществлялось путём введения более мелких именованных еди- единиц, а незначительный остаток просто отбрасывался. Для выяснения вопроса о происхождении дробей нужно обра- обратиться 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- системы 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- являются 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- правой, 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 = Е-\-...-\-Е не становилось примерно равным из- измеряемой величине А (т. е. пока \А — пЕ\<^^Е\. Этим уста- устанавливалась 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- результате раздробления более мелкая единица меры получала индиви- индивидуальное название, и величины измерялись уже в этой, более мел- мелкой единице. Таким образом возникали первые конкретные дроби как опре- определённые 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- измерения земельной площади или меры сыпучих тел, с „четвертью" или „четью", как дробью», — пишет Л. В. Черепнин'). Долгое время выражение «полчетверти» означало -^-, но половина четверти как о ') Л. В. Ч е р е п н и и. Русская метрология, М., 1944, стр. 53.
ДРОБИ 61 земепьной 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 унция в римской системе мер первоначально означала jr 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- определённых частей некоторых определённых мер. Отвлечённых дробей в это время ещё не существовало. Это утверждение полностью подтверждается рассмотрением тех символов, которые первоначально употреблялись для обозначения индивидуальных дробей. Вавилонские символы для -?г, -v и " явля- лись одновременно изображениями сосудов, т. е. конкретных мер объёма. Египетской единицей площади был сетат — квадрат со сто- стороной в один хет (один хет равен 100 локтям). Четверть сетата называлась «ломаной» и обозначалась х - Впоследствии слово «ло- «ломаная» стало общим названием дробей, а символ х начал обозна- обозначать в иератической системе отвлечённую дробь -^ . Есть основа- основание предполагать, что половина сетата обозначалась знаком < (или ci). Единицей объёма служил «гекат», равный приблизи- приблизительно 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 % г поставленных под символом, изображающим 100 гекатов1). Обозначение типа X Г, где буквой Г мы условно обозначили символ геката, полностью аналогично употреблявшемуся римля- римлянами выражению 5 унций пути. Такое перенесение названий опре- определённой 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- геката; == хену называлась частью и обозначалась символом <=>. Впо- следствии, как мы видели, этот символ употреблялся для обозначе- обозначения части вообще. ') И. Н. В е с е л о в с к и й, 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- замечено, что арифметические свойства дробей, получаемых первона- первоначально путём повторения т раз л-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- образования отвлечённого целого числа. Достаточно сказать, что даже римляне пользовались только конкретными дробями. Есть все основания предполагать, что первоначально существо- существовали только двоичные дроби. «Первой дробью, с которой познако- познакомилось 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- системе. Этот этап развития нашёл своё выражение в древнеегипет- древнеегипетской 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- конкретности 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 -$¦ и её двоичные подразделения. Такие подразделе- ния встречаются в более позднем египетском способе деления (обра- (образование 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- наименьшей из которых была «пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол-пол- третних». Система древнерусских дробей строилась по тому же прин- принципу, что и система мер. Основными дробями являлись: -й- числа, которая обозначалась словом «пол», 1 -»- > » » » «треть», ') В. В. Б о б ы и и л, Отзыв о сочинениях Н. М. Бубнова, стр. 114. s) В. В. Бобы нин, Цит. соч., стр. 115.
ДРОБИ 63 — числа, которая обозначллась словом «четь, или четверть», 4 -— » » » » «полтрети», — » » » » «полчети», или «полчет- о верти», -г^- » » » » «пол-полтрети», 1 — » » » » «пол-полчети», 1 -=т * » * » «пол-пол-полтрети», или «малые трети», 1 -зу » » » » «пол-пол-полчети», или «малые чети». Остальные дроби в древнерусских источниках часто выража- выражались посредством сложения и вычитания этих «основных» дробей. „11 1 . 1 , 1 29 1 1 Так 24 схематически представлялось как ¦о+]2"Г94' <Г=Т— 32' Все эти соотношения выражались словами. Для обозначения ка- какого-нибудь числа единиц без половины единицы употреблялось выражение «пол» этого неполного числа единиц. Так, 2 -_- назы- называлось «-полтретьи», 3 -w-—¦ «полчетверти», 4 « «полпяты», 5 -ц «полшесты» и т. д. В качестве пережитка у нас до сих пор сохра- сохранилось выражение «полтора» для l-^-, т. е. «полвтора» — полвто- полвторого. 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 единицы. Число -г=-, например, не могло быть выражено в египет- 15 ской системе при помощи единого символа. Понятие о -р=-, как о едином числе, единой дроби, у египтян не было. Все дроби вида —, где т^>1, они представляли по общим правилам в виде суммы У—, причём n^rij, если i ф]. 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 /я = 2л1~|-2лг-|- . .._| 2пь, л/,^>л2"> ... ^> nk7Szv, то для представления в виде суммы ? — доста- 2 точно было уметь представлять в таком виде дроби —.И действи- действительно, в египетских папирусах мы находим таблицы для подоб- 2 ного разложения —, п=3, 5, ..., 101. О том, как были состав- составлены эти таблицы, существует много различных гипотез, которых мы здесь касаться не будем1). Отметим только, что уже при со- составлении этих таблиц, преследовавших чисто практические цели, египетскому вычислителю пришлось столкнуться с теоретико-число- теоретико-числовыми проблемами. В Греции, так же как и в Египте, употреблялись по преимуще- преимуществу дроби вида . Видимо, первоначально этой областью грече- п 1 ские дроби и ограничивались. Для обозначения дроби - , как мы говорили, писалось числовое значение п со штрихом справа. Так •go- записывалась, как «у (« = 20, ^ = 3). Герон Александрийский (I—II вв. н. э.) употреблял дроби вида —. Для их обозначения он сначала писал симиол для т со штри- штрихом справа, а затем дважды повторял символ для п, снабжённый двумя штрихами справа. Например, дробь -_- обозначалась, как по О Р'е'У, а дробь |~, как »yh"? («=20, Х = 30, ?=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, ха = 21). л , 1270 538 а.<о? Дробь - 1(ШГ- выглядела так: -~^. У Диофанта встречается и другое обозначение дробей: сначала записывается числитель, затем знаменатель, между которыми пи- пишется слово jiopiov (частица). Например: 3 069 000 — ^ — —— Так же как и в Египте, в Греции было распространено пред- представление дробей в виде суммы дробей с числителями единица. 9 1 1 Например, ^:=-г~\--^= 8'е'(сложение заменялось простым приписы- приписыванием). 1) См. цитированную выше статью И. Н. Веселовского и статью С. А. Яновской «К теории египетских дробей». Труды Ин-та истории есте- естествознания, 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- применяться для измерения любой величины. Таким образом, Рим, знав- знавший 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- комбинацией этих двух символов. „ 7 6.1 1,1 о Например, Г2= 12 + 2= 2 +Т2= ' „, асса называлась семунцией (semunzia), ¦»„ » » дуэллой (duella), Та ' * » сициликом (sicilicus), ^2 » » секстулой (sextula). Второй ряд подразделений основной единицы шёл следующим образом: 1 —асе, -г^ —unzia> 57 = semunzia, ,-тщ=scrupel, ^52 = = simplium, т. е. каждая следующая дробь возникала из предше- предшествующей 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- римлян долгое время были в употреблении и у средневековых абаци- стов. На примере истории римских дробей можно видеть «непосред- «непосредственное применение метрологической системы, выработанных для неё правил и приёмов счисления к отвлечённым дробям и выпол- выполнению над ними действий счёта»1). Такие случаи наблюдались и в других местах. Индусы не распространили изобретённую ими десятичную пози- позиционную систему на изображение дробей. Простые дроби они обо- обозначали, надписывая числитель над знаменателем, но не ставили разделительной черты. Так, в Бахшалинской рукописи дробь -=- изображается, как „ . При изображении смешанной дроби целая часть надписывалась над числителем. Например, число 1 -„- схема- 1 тически изображалось, как '. Такая запись впервые встречается у ') В. В. Б о бы пин, Отзыв о сочинениях Н. М. Бубнова, стр. 119. 5 Энциклопедия, кн. 1.
66 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ таджикского ученого ал-Насави (ум. ок. 1030 г. н. э.), причём в случае отсутствия целой части ал-Насави приписывал сверху нуль; -гу он 0 изображал так ' Дробную черту мы встречаем у ал-Хассара (XII в.). Леонардо Пизанский применял ее регулярно. Однако обще- общеупотребительной она стала только в XVI в. Символы для изобра- изображения дроби в средние века были крайне разнообразны. Иногда числитель и знаменатель записывали при помощи римских цифр, своеобразно используя мультипликативный принцип. Так, в одной ОГМ*1 немецкой книге по арифметике A514) дробь j^. изображалась, как пС В манускрипте середины XIV в. встречаются юбозначе- |]||CLX О А 1 ния 35 для -=- и 47 для у. Часто вместо у писали -5-; так 4 -Ь оа- начало 4 у. При произношении дроби в средние века всегда до- 2 бавляли слово «части»: -=- произносилось, как две пятых части. о В России (XVI—XVII вв.) при выговаривании дроби со знаме- знаменателем от 5 до 10 прибавляли окончание «ина». Например, -^ седьмина, у^ —десятина. Если знаменатель был более десяти, то к названию дроби добавлялось слово «жеребей», т~, например, читалось, как пять тринадцатых жеребьев. Дроби в русских ру- рукописях назывались долями; позднее их стали именовать ломаными числами, что соответствовало латинскому термину numeri fracti. Такой терминологии придерживался и Магницкий в своей «Ариф- «Арифметике». 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 F0-е, 3600-е и т. д.); в записи непосредст- непосредственно отмечалось только количество взятых долей. Индивидуальные обозначения небольшой группы дробей (у, g-, -^ и т. д.) были почти полностью вытеснены из математических текстов. Даже -~- впервые получила тут алгорифмическое представление в виде Щ @,30). Шестидесятиричные дроби имели то неоспори- неоспоримое преимущество, что оперировать с ними можно было по тем же правилам, что и с целыми числами. Благодаря этому шестидесяти- шестидесятиричные дроби позднее распространились за пределы Вавилона.
ДРОБИ 67 Вероятно, не позднее середины II в. до н. э. дроби эти главным об- образом через посредство астрономических сочинений перешли в Але- Александрию. 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- шестидесятиричную систему вавилонян, в которой они только изменили начерта- начертание 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 тцт/цата, т.е. отрезки, которое было до- дословно переведено латинским словом segmentes. Чаще он называл их просто частями: цоГрда, сокращённо обозначая их [а°. Впоследст- Впоследствии начали писать один только верхний кружок, который сохра- сохранился до сих пор для обозначения градуса. Само слово «гра- «градус», по мнению Г. Нессельмана A842), имеет арабское проис- происхождение. Каждую из получившихся частей (градусов) Птолемей делил в свою очередь на 60 частей, которые он называл словом Хеята, до- дословно означающим «мелочь>, или «первыми шестидесятыми». Сле- Следующие два шестидесятиричные подразделения он называл «вторы- «вторыми шестидесятыми» и «третьими шестидесятыми». При переводе на латынь эти подразделения получили названия: mimita prima, minuta secunda, minuta tertia (т. е. первая минута, вторая минута и третья минута); слово «minuta» означает «уменьшенная» или «мелкая», являясь, таким образом, латинским переводом греческого слова «).етЕта>. Отсюда произошли наши слова минута и секунда. Птолемей пользовался обычно не полными, а сокращенными обозначениями шестидесятиричных разрядов, при этом его обозначение минут, се- секунд и терций совпадало с современным. Число 37°4'55" он запи- записывал, как [i°XCe've". Иногда символ [а° опускался, и тогда над числом градусов ставилась горизонтальная черта. При записи шестидесяти- шестидесятиричных дробей греки употребляли символ о для обозначения про- пропущенного разряда, сходный по форме с нашим нулем. Так, число 12°0'24" записывалось, как фо'хй". Целые числа продолжали запи- записывать 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), потому 5*
68 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ букве о (омикрон) можно было приписать повои числоиое значение. Предполагают, что знак 0 возник в результате сокращения слова ooosv—ничего. Заметим, что при специальном обозначении разрядов такой сим- символ совсе ке был необходим, в то время как в вавилонской систе- системе, когда отдельные разряды никак не отмечались при записи, вве- введение 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 1). 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- выражению 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- Среднего 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- учёные 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- встречаются всё чаще. Так, мы находим довольно развитое учение о дробях с десятичными знаменателями у одного математика XIV в., жившего во Франции2). Подобные же дроби встречаются и у Кардана (XVI в.K). Немецкий арифметик Грамматеус A523) 1) Действия с дробями долгое время считались труднейшим и запутан- пейшим отделом арифметики. У немцев до сих пор сохранилась пого- поговорка— «попасть в дроби» (in die Bruche gerathen), употребляемая в смысле «попасть в тупик». Глава о дробях помещалась обычно в самом копце учеб- учебника, чтобы учащийся, не желающий себя слишком затруднять, мог овла- овладеть остальными правилами арифметики без знапия дробей. Большинство учеников так до этой главы и не добиралось. -) О нём см.: Gandz, The invention of the decimal fractions and appli- application of the exponential calculus by Immanuel Bonfils of Tarascon (Isis, XXV A), 1936). 3) Самаркандский математик и астропом Джиат-Эддии Джемшид ал- Каши около 1420 г. выразил в виде десятичпой дроби более чем с 15 зна- знаками отношение длины окружпости к радиусу.
ДРОБИ 69 советовал применять такие дроби для сравнения простых дробей. Чтобы узнать, какая из дробей -^ и -=- больше, он приписыват к каждому из числителей нули, т. е. раздроблял их в десятичные 500 ._ 1 200 сс 2 доли, а затем делил их на знаменатели: - - = 62-^- и -q-=66-5-, о Z о о 2.5 откуда "з >-g • Французский ученый Оронс Финэ (примерно 1550) при извлече- извлечении квадратного корня из 10 приписал к 10 шесть нулей, также получив фактически выражение искомого корня в десятичных дро- дробях. Однако он сразу же перевел полученное выражение в при- привычные 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- фламандский инженер и учёный Симон Стевин A548—-1620). В 1584 г. он издал на фламандском языке, а вскоре после этого и на фран- французском таблицу процентов, а в следующем году опубликовал сочинение «La disme enseignant facilement expedier par nombres entiers -sans rompuz tous comptes se rcncontrans aux affaires des hommes» («Десятая, обучающая легко производить все расчёты, встречающиеся в людских делах, с помощью целых чисеч, без дро- дробей»). В этой брошюре, содержавшей .всего семь страниц, и были вве- введены 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- распространить десятичную систему объясняется и то, что он написал «La disme» не по-латыни, а на разговорных фламандском и фран- французском языках. Обозначение десятичных дробей, предложенное Стевином, зна- значительно отличалось от современного. Вместо нашей запятой он употреблял нуль, заключённый в кружок, а после каждого десятич- десятичного разряда указывался его порядковый номер, который также по- помещался в кружок. Например, число 35,912 записывалось им так: 3ft(o)a(T)lEJE). В этом способе записи применяется тот же принцип, что и в предложенном Сгевином обозначении показателей степеней неизвестных. В 1608 г. «La disme» была переведена на английский ялык Ричардом Нортоном, а в 1619 г. в Англии было опубликовано сочинение Генри Ляита 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 A552—1632), швейцарец по рождению, рукопис- рукописные сочинения которого относятся примерно к 1592 г. Бюрги упо- употребил 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 ii inivvvi о ш vi vi 12 3-4-5-9-8-7-2 или короче в виде 123-459-872. Число 64 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- приписывается Бюрги и Кеплеру A571—1630), употреблявшим ей на- наряду со скобкой. Десятичными дробями занимался и Непер A550—1617), изло- изложивший теорию этих дробей в своём сочинении «Rabdologia». В этой книге дроби, как правило, обозначаются тем же спосо- способом, каким мы теперь записываем градусы, минуты, секунды и т. д. Дробь 28,675 записывалась у него так: 28°6'7'", что читалось, как 28 целых, 6 прим, 7 секунд, 5 терций. Иногда разряды у него разделялись еще двумя точками. В этом же сочинении Непер приме- применил в качестве разделительного знака точку, применяющуюся до сих пор в качестве разделительного десятичного знака в Англии и АмерикеJ). Однако наряду с десятичными дробями на протяжении всего XVII в. встречаются ещё и шестидесятиричные дроби, кото- которые были окончательно вытеснены только в XVIII в. У нас, в России, изложение учения о десятичных дробях впер- впервые встречается в «Арифметике» Л. Магницкого A703). Магницкий различал арифметику — логистику или астрономскую, т. е. опери- оперирующую с шестидесятиричными дробями, которые он записывал в виде О 1 II III IV 51 25 42 51 25, и иную арифметику, «яже децималь или десятич- десятичная именуется», которую он употреблял только в геометрии. Изла- Излагая 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 манская сажень), равная 10 футам; 1 фут = 10 цолей, или пальцев; цоль = 10 гран, или зёрен; гран =10 скрупелей, или дробей. В XVIII в. десятичные дроби получают всё ббльшее распростра- распространение. Окончательно они укрепились в связи с введением десятич- десятичной системы мер и весов1). Теперь и в житейском обиходе, не говоря уже о статистике, чаще употребляют проценты (т. е. деся- десятичные дроби), чем простые дроби. *) Единая десятичная система мер и весов была впервые введепа только после Французской буржуазной революции 1789 г. У нас, в СССР, метриче- метрическая 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- нумерации полноту и в основном стала господствовать в научном и житей- житейском обиходе. Наряду с нею сохранились только крайне незначи- незначительные пережитки других систем, частью в речи, частью в расчё- расчётах (шестидесятиричное деление часа и градуса, применение ряда простых дробей: у, -^, — и т. д.), иногда при порядковой нуме- нумерации (с помощью букв алфавита). , Вместе с тем современная нумерация, которая возникла перво- первоначально лишь для представления целых чисел, с введением деся- десятичных дробей распространилась на все действительные числа'). При этом к ней не пришлось добавлять никаких существенно новых принципов; обозначение всех чисел с её номощью 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- внутриатомного 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- позиционной 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. П р о с к у р я к о п, Поня- Понятия множества, группы, кольца и ноля. Теоретические основы арифметики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73 1. Прежде всего подлинно научная и объективная история нуме- нумерации опровергает идеалистические учения об априорном характере понятия числа, о его мнимой прирождённости человеческому созна- сознанию. История нумерации показывает, что понятие натурального числа (как и дроби), с его свойствами и законами возникло в ре- результате отвлечения от определённых и вполне конкретных коли- количественных свойств и отношений предметов реального мира, подобно тому как геометрия «...даёт свои законы, абстрагируясь от конкрет- конкретных предметов, рассматривая предметы, как тела, лишенные кон- конкретности, 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- уровень 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- соответствующую 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- основанием 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- рабовладельческой 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- препятствовало созданию такой единой системы. Наконец, последнюю стадию развития нумерации составляет наша десятичная позиционная система счисления, первая едино- единообразная 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 ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМ СЧИСЛЕНИЯ борьбу нового и передового со старым и консервативным, о не- неодолимой и всепобеждающей силе прогрессивных элементов челове- человеческого общества и человеческой культуры. Действительно, всякая система нумерации фиксирует уже существующий устный счёт. Счёт этот продолжает развиваться и совершенствоваться вместе с даль- дальнейшим прогрессом общества. При этом зафиксированная в симво- символах система счисления часто отстаёт от фактически существующих способов счёта. Тогда с неизбежностью появляются новые, более совершенные системы счисления. Мы видели, с каким трудом при- приходилось им всякий раз пробивать себе дорогу. Так, алфавитной системе пришлось преодолевать вековую традицию аттических государств, а десятичной позиционной системе противостояли реак- реакционные силы европейского средневековья. 4. Наконец, история происхождения позиционной системы вновь показывает единство законов общественного развития. Подходом к позиционному принципу, как мы видели, служили мультиплика- мультипликативные 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- позиционной системы не было, таким образом, случайным, а явилось законо- закономерным завершением неизбежного исторического процесса. История нумерации во многом сходна с историей языков, о ко- которой 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- удовлетворения 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- постоянным и незаменимым орудием всей нашей практической деятель- деятельности. 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- являются лишь абстрактным (освобождённым от ряда частных конкрет- конкретных признаков) выражением реальных отношений материального мира. Так, число пять является лишь отражением в нашем уме ре- реального свойства, общего пяти пальцам руки, цветку о пяти лепе- лепестках 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- откуда-нибудь, а только из действительного мира. Десять пальцев, на которых люди учились считать, т. е. производить первую ариф- арифметическую 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- результат долгого, опирающегося на опыт, исторического развития» *). Такова суть математики с точки зрения диалектического мате- материализма. Противоположные взгляды высказываются буржуазными учёны- учёными-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- миллионы раз и на каждом шагу всей нашей практической деятель- х) Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1948, стр. 36—37.
78 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ ностью, когда применение математики даёт ожидаемые нами резуль- результаты. Последнее возможно только потому, что математические истины являются лишь отражением объективных закономерностей природы. Число является основным орудием, при помощи которого мате- математика изучает закономерности реального мира. Современное по- понятие о числе явилось результатом сложного и длительного про- процесса 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- Читатель 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- данной статьи. // Доказательство даже самых простых свойств чисел, как, напри- // мер, переместительного или сочетательного закона сложения, тре- \1 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 одаренных и интересующихся математикой школьников старших классов. По тем же соображениям статью можно рекомен- рекомендовать студентам педагогических институтов. Так как построение действительных чисел входит в курс математического анализа, а комплексных чисел — в курс высшей алгебры физико-математиче- физико-математических 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- изоморфизме, 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- рассуждений 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- дополнительные 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- Изложение 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- числовых 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- читателю, специально интересующемуся обоснованием свойств чисел данной природы и желающему принять свойства предыдущих чи- числовых 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- свойства рациональных чисел, можно после первых двух глав и § 19 читать сразу главу VI о действительных числах, приняв же извест- известными 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- широкую совокупность целых чисел. Расширяя уже полученную чис- числовую область, мы приходим, далее, к рациональным, действитель- действительным и, наконец, комплексным числам. В алгебре рассматриваются такие совокупности, как многочлены и алгебраические дроби. В геометрии, изучая свойства треугольника, отвлекаются от его поло- положения на плоскости или даже от его размеров, получая тео- теоремы, справедливые для всех равных или же всех подобных тре- треугольников; в других случаях рассматриваются совокупности то- точек, 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- ознакомиться, 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- понятия множества, ибо чем слово «совокупность» лучше слова «мно- «множество»? Понятие множества принимается за основное, т. е. не сводимое к другим понятиям. Объекты, составляющие данное мно- множество, 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- Множество 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- заменяются многоточием. Так, множество натуральных чисел обозна- обозначается {1, 2, 3,...}> а множество чётных чисел {2, 4, 6, }, при- причём под многоточием в первом случае подразумеваются все нату- натуральные 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- множества А принадлежит В и, обратно, каждый элемент В принадле- принадлежит 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- допускает шесть видов записи: {а, Ь, с} = {а, с, b\ — {b, а, с} = {Ь, с, а} = {с, а, Ь} = {с, Ь, а}. Из соображений формального удобства вводят ещё так называ- называемое «пустое множество», а именно, «множество», не содержащее ни одного элемента. Мы будем обозначать его символом 0 (совпа- (совпадение 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, а В называется надмножеством А. Пишут AczB, В^зА (словами: А входит в В или А содер- содержится в В, В содержит А). Очевидно, что если Ас^В и BczA, то А = В. Пустое множество по определению считается подмно- подмножеством любого множества. Если каждый элемент множества А входит в В, но множество В содержит хотя бы один элемент, не входящий в А, т. е. если AczB и АфВ, то А называется собственным подмножеством В, а В — собственным надмножеством А. В этом случае пишут A cz В, В^> А. Например, запись А Ф 0 и A zr> 0 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- неодинаковую роль (отношение а ? А не симметрично), но и необходи- необходимостью избежать противоречия. Так, пусть А = {а, Ь} содержит два элемента. Рассмотрим множество {А\, содержащее своим един- единственным элементом множество А. Тогда А содержит два элемента, в то время как {А\ — лишь один элемент, и потому отождествле- отождествление этих двух множеств невозможно. Поэтому мы не будем при- применять запись а cz А, сохраняя обозначение а ? А. Примеры множеств. Примеров множеств можно привести сколько угодно. Так, можно говорить о множестве всех букв дан- данной 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, причем надо сделать предположение, что в рассматриваемый момент времени 6 Энциклопедия, кн. 1.
82 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦД 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- натуральных чисел, чётных натуральных чисел, рациональных чисел, дей- действительных чисел и др. Пусть а и Ь — два действительных числа, причём а<^Ь. Мно- Множество всех действительных чисел х, для которых а =ё-?=?#, назы- называется отрезком с концами a, b и обозначается через [а, Ь]. Мно- Множество (а, Ь) всех х, для которых а<^х<^Ь, называется интер- интервалом с концами а, Ь. Далее полуинтервалами называются множества [а, Ь) тех х, для которых а^х<^Ь, и (а, Ь] тех х, для которых a<^jc=S#. Введём ещё два символа: -\-оо (плюс бес- бесконечность), — 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 -j0 больше, а —оо меньше любого действительного числа. Тогда можно ввести обозначения, аналогичные приведённым выше, для бесконечных по- полуинтервалов и интервалов. Именно: [а, -(-оо) — множество чисел х, для которых a=SJc, (—оо, Ь] — множество чисел х, для которых лг =s #, (а, -\- оо) — множество чисел х, для которых а <^ х, (— оо, Ь) — множество чисел х, для которых х<^Ь, (—оо, -j-°°) — множе- множество всех действительных чисел. § 2. Операции над множествами Объединением множеств А и В называется множество элемен- элементов, 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 Л и не принадлежащих В. Пишут A\J3 и читают «разность А и В» '). Пример 1. Пусть А есть отрезок [1, 3], В — отрезок [2,4]; тогда объединением А[}В будет отрезок [1, 4], пересечением Лр?— отрезок [2, 3], разностью А\В — полуинтервал [1, 2), В\А — полуинтервал C, 4]. Пример 2. Пусть А есть множество прямоугольников, В — множество всех ромбов на плоскости. Тогда Л[]В есть множество всех квадратов, А\В — множество прямоугольников с неравными сторонами, В\А — множество всех ромбов с неравными углами. 1) Некоторые авторы применяют обозначения А-\-В, АВ, А — В, но в алгебре это не удобно из-за смешения с алгебраическими операциями.
МНОЖЕСТВА 83 Операции объединения и пересечения множеств обладают мно- многими свойствами сложения и умножения чисел, например переместн- тельным, сочетательным и распределительным свойствами. "Понятия объединения и пересечения множеств дословно пере- переносятся 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- называется множество, состоящее из элементов, входящих во все мно- множества данной системы. Применяются следующие обозначения. В случае конечной систе- системы множеств Ait А% Ап объединение 5 и пересечение D обо- обозначаются: S=Al[)AaU...[)Aa=[}At, В случае бесконечной последовательности множеств Л,, Ait ..., Ап, , т. е. системы, множества которой занумерованы всеми натуральными числами, пишут: S=Al\) Аъ\] ...\] Ая\) ... = D = Al ПЛП ...[)Ап [)...= Пример 3. Пусть Ап есть множество точек плоскости, лежа- лежащих в круге радиуса 2" с центром в точке О, причём п прини- принимает все целые значения от — ос до -|- ос. Тогда объединение I I Ап совпадает со множеством точек всей плоскости, а пересече- пересечение Г"Ы_„ содержит лишь одну точку О. Наконец, в случае произвольной системы \Ат} множеств Ат, индексы которых составляют некоторое множество М, пишут: 6* (J ?= || Ат, ?=, ': м
84 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦЛ 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 М Ах будет множеством всех точек пло- плоскости, а пересечение | 1 Ах содержит лишь одну точку О. § 3. Функция, отображение, мощность Понятие функции играет в математике такую же существенную роль, как понятие множества. Что же такое функция? Часто гово- говорят, что функция есть переменная величина, зависящая от другой переменной величины (аргумента). В применении к обычным функ- функциям, изучаемым в школе, как y = sinx, это определение вполне подходит и может применяться в преподавании. Наша задача, одна- однако, состоит в более точном уяснении сущности этого понятия и получении современного его определения. Прежде всего, если взять функцию у = sin2 x-\- cos2 х, то её значение уже не зависит от значения х. Далее, под величи- величинами 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- некоторого множества. Внимательное рассмотрение показывает, что в понятии функции существенно не столько её изменение с измене- изменением аргумента, сколько сам закон соответствия, в силу которого по каждому значению аргумента однозначно определяется соответ- соответствующее ему значение функции. Так функцию 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- множества X однозначно указать некоторый объект (соответствующий данному элементу). Эти слова лишь поясняют понятие соответствия, но не должны пониматься как его определение. Понятие соответ- соответствия, как и понятие множества, принимается за основное, не под- подлежащее 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- множества 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 y = tgx. За область определения функции можно принять множество действительных чисел, отличных от чисел вида итс -|—_-, 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: , ГО 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- Лобачевский 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- определении понятия функции. «Это общее понятие, — писал Лобачевский о понятии функции, — требует, чтобы функцией от х называть число, которое даётся для каждого х и имеете с х постепенно изменяется. Значение функции может быть дано или-аналитическим выражением или условием, кото- которое подаёт средство испытать все числа и выбирать одно из них, или, наконец, зависимость может существовать и оставаться неиз- неизвестной» '). Весьма близким к понятию функции является понятие отобра- отображения. Определение 2. Пусть даны два множества X и Y. Такое соответствие, при котором каждому элементу х^Х соответ- соответствует (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. J) H. И. Л о б а ч е в с к и й, Об исчезают тригопометрических строк. Учёные записки Казанского университета, кн. II, 1834.
86 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Если элементу х соответствует у, то у называется образом элементах, а х—прообразом элемента у. Пишут: х—>у или _у = =f(x). Множество А всех элементов х? X, имеющих один и тот же образ yd Y, называется полным прообразом элемента у. Пример 4. Пусть D — множество действительных чисел. Со- Соответствие jc->|jc| 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: -\-у 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- множество всех точек квадрата, лежащих на перпендикуляре к осно- основанию, восставленном в данной его точке. Примеры 4 и 5 показывают, что при отображении множества X в Y, с одной стороны, некоторые элементы из Y могут вовсе не иметь прообразов, а, с другой стороны, могут быть элементы, име- имеющие 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 Y (или отображением X на Y) назы- называется соответствие (соответственно, отображение), обладающее следующими тремя свойствами: I) каждому элементу множества X соответствует один и только один элемент множества Y; 2) двум различным элементам множества X всегда соответ- соответствуют два различных элемента множества Y; 3) всякий элемент множества Y соответствует хотя бы одному элементу множе- множества X. Заметим, что первые два свойства дают взаимно однозначные отображения X на некоторое подмножество Y. В этом случае го- говорят о взаимно однозначном отображении X в Y. Если y—f(x) есть взаимно однозначное отображение X на Y, то каждому _у? Y можно поставить в соответствие тот единственный элемент х{Х, образом которого при отображении/ является у. Эго соответствие называется обратным отображением для отображе- отображения / и обозначается через /"'. В качестве упражнение предлагается доказать, что f'1 есть также взаимно однозначное отображение Y на X и что обратным для отображения f~l будет исходное ото- отображение /. Определение 4. Два множества X и Y, между которыми можно установить взаимно однозначное соответствие, называются равномощными (или эквивалентными), что обозначается сим- символом X^Y. О равномощных множествах говорят также, что они имеют оди- одинаковую мощность. Условимся считать, что пустое множество равно- мощно только самому себе.
МНОЖЕСТВА 87 Замечание. Выше мы дали определение понятия равномощ- равномощности, 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- основными свойствами: 1) рефлексивность: Хг^X; 2) симметрия: если Х~ К, то Yr^X; 3) транзитивность: если Х~ У и K~Z, то X^Z. Для доказательства, например, первого из них достаточно каж- каждому элементу jc? X поставить в соответствие его же самого (то- (тождественное отображение), что уже даёт взаимно однозначное ото- отображение 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 _y=10jc, где х— действительное число, устанавливает равномощность отрезка [0, 1] и в 10 раз более длин- длинного отрезка [0, 10]. Таким образом, в смысле мощности «коли- «количество» точек обоих отрезков одинаково. Пример 7. Два любых отрезка [а, Ь] и [с, й], а также два любых интервала (а, Ь) и (с, d) раиномощны. Для доказательства достаточно рассмотреть функцию . d — с , ч Во-первых, каждому действительному числу х однозначно соот- соответствует у, причём легко видеть, что а -»- с и Ь -> d. Далее, пусть Согласно определению отрезка и интервала (см. стр. 82) а<^Ь к . Следовательно, ^-—- ^>0. Поэтому _У,<^_У2- Итак, если (или а<^х<^Ь), то и c^y^d (соответственно, 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- отображение . b — а , ч обладает теми же свойствами, откуда следует, что для каждого у из [с, d] 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, Ъ\ ~ [с, d] (соот- (соответственно, (a, b)<~^(c, d)). Пример 8. Функция у = tg x устанавливает эквивалентность интервала \~2' + множеству всех действительных чисел. Пример 9. Считая соответствующими друг другу числа, стоя- стоящие одно под другим в следующих строках: 1, А о, ..., П ,..., 2, 4, 6,. . ., 2я 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- чисел, нечётных чисел, степеней 10, простых чисел все имеют одну и ту же мощность, хотя первая из них является собственным над- надмножеством остальных. Пример 10. Множество натуральных чисел равномощно мно- множеству рациональных чисел. В самом деле, любое рациональное число, отличное от нуля, однозначно записывается в виде несокра- несократимой дроби —, где принято q ^> 0 (т. е. знак отнесён к числителю). Из возможных записей для нуля: 0=^-^- = -~-= ... выберем одну:-т-. Тогда запись вида — однозначно определена для всех рациональных чисел (в частности, при q= 1 получатся все целые числа). Высотой числа — назовём натуральное число |р [-f-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, -i-,+1,+2, -3, -1,+1 + 3, _4 --3 -1 -1 4-± Д--2- 4-- 4-4 Так как чисел данной высоты п — лишь конечное число [имен- [именно, не более 2 (я—1), ибо числитель меняется от —(п—1) до -\-(п—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- доказывает требуемую равномощность.
МНОЖЕСТВА ' 89 § 4. Конечные и бесконечные множества Все указанные в предыдущем параграфе множества, равномощ- ные собственным подмножествам, были бесконечны. Мы сейчас уви- увидим, что это не случайно (см. ниже теорему 1). Однако сначала необходимо дать строгое определение понятия конечного и беско- бесконечного множества. При этом нам придётся существенно использо- использовать 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- отрезком натурального ряда и обозначается через 11, п\. Определение 2. Множество, равномощное отрезку нату- натурального 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 a8,..., ап, причём все элементы будут за- занумерованы, все числа от 1 до л 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- конечному (или бесконечному) множеству, само будет конечным (соот- (соответственно, бесконечным). Теорема 1. (Основная теорема о конечных мно- множествах.) 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 A zdВ, 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 А = 0 теорема верна, так как пустое множество вовсе не имеет собственных подмножеств. Пусть А ф 0. Тогда по определению ко- конечного множества множество А равномощно (по крайней мере одному) отрезку натурального ряда | 1, п\. Докажем индукцией по числу п'), что А нельзя взаимно однозначно отобразить на его соб- " * J) 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 «=1 это очевидно, так как Л~|1, 1| и содержит лишь один элемент. Единственным его соб- собственным подмножеством будет В^О, причём А не равномощно В. Предположим, что теорема доказана для натурального числа п, и докажем её для числа «-J-1. Итак, пусть Л~| 1, п-\-\\, и/ есть взаимно однозначное отображение А на В. Занумеровав эче- менты А соответствующими им числами, получим: Для В —0 утверждение справедливо. Если ВфО, то без огра- ограничения общности можно предположить, что ап+1 ? В. Иначе берём элемент Ь?В и строим новое множество ??,, полученное из В за- заменой элемента b на а„+], и новое отображение /j, которое совпа- совпадает с / для всех элементов множества А, кроме элементов а со свойством f{a) = b, причём для этого элемента а полагаем fx(a) = = ап+1. Тогда ft будет взаимно однозначным отображением А на собственное подмножество Ви содержащее а„+]. Далее, без огра- ограничения общности можно считать, что f(an+i):=an+1. Иначе пусть /(а.) = а„+1 и f(an+1) = aj. Тогда строим новое отображение /,, совпадающее с / для всех элементов А, кроме а{ и а,^, причём полагаем ft (а;) = о,- и fx (ап+1) = ап+1. Итак, пусть а„+1 ? В и / (ап+1) = = ап+1, пусть также А' = А\{ап+1} и В'=В\{ап+1\. Так как В — собственное подмножество Л, то существует элемент а' ? А\В. Так как ап+1?В, то а'фап+1. Поэтому а'? А'\В'. Значит, В' есть собственное подмножество А'. Так как/(а„+,) = ап+„ то отображе- отображение / устанавливает равномощность множеств А' и В', но А'' = = {й,, ае,..., an\r^\l, nx. Мы получили противоречие с предпо- предположением индукции, чем наше утверждение, а значит, и вся тео- теорема 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- натурального ряда. Если бы оно было равномощно двум различным отрез- отрезкам Л~| 1, т\, ^4.*—'| 1, п\, тфп, то по свойствам равномощности будет: 11, /я|~|1, п\, что противоречит теореме 1, так как один из двух различных отрезков натурального ряда является собствен- собственным подмножеством другого. Определение 3. Однозначно определённое для данного не- непустого 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- определение мощности конечного множества. Теорема 3. Любое подмножество конечного множества само конечно. Любое надмножество бесконечного множества само бес- бесконечно. Доказательство. Каждое из двух утверждений теоремы следует из другого. Так, если первое утверждение верно, то верно и второе, так как если Л бесконечно иЛсй, то и В бесконечно, ибо если бы В было конечно, то по первой половине теоремы и А было бы конечно. До- Достаточно поэтому доказать первое утверждение. Итак, пусть А конечно и В ci А. Если А — 0, то и В = 0, теорема справедлива. Пусть A zd 0. Тогда Л^|1, л[ для некоторого натурального числа п. Применим индукцию относительно п. При л=1 теорема верна, так как А содержит один элемент, и либо В:=0, либо В = А. Пусть утвер- утверждение верно для некоторого л. Докажем его для числа л-f-l. Итак, пусть /— взаимно однозначное отображение А на отрезок 11, rt-j-l|. Если В = А, то В конечно. Пусть В а А. Существует элемент а? А\В. Можно считать, что f(a) — л-f-l. Иначе f(a') = n-\-\, где а'^А, а ф а. Если тогда f(a) = i, то строим новое отображение/j, полагая fl(a) = n-\-l, f1(a') = i и fl=f для остальных элементов множества А. Игзк, пусть /(а) = л-|-1. Положим Л' = Л\{а}. Тогда / определяет взаимно однозначное отображение множества А' на отрезок 11, л,, и 6<=Д'. Следова- Следовательно, 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. Число элементов конечного множества А всегда больше числа элементов его собственного подмножества В. Доказательство. Пусть т — число элементов Лил — число элементов В. Предположим, что л2==/я. Так как Am В, то АфО, л^>0 и А^\\, т. Также и п^т^>0, следовательно, В~|1, л|. A) При взаимно однозначном отображении А на отрезок 11, т) мно- множество В отображается также взаимно однозначно на некоторое собственное подмножество В' отрезка |1,/и|, таким образом, В ~ В'. * B) Из В'а 1, т\ и гп^п следует: B'cz.l, «I. C) Но из A) и B) вытекает Z5' *—> | 1, л], что в силу C) противо- противоречит теореме 1, ибо отрезок 11, п\ 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- отображение /(я) = п -j-1 для любого натурального числа п отображает взаимно однозначно Л/^{1, 2, 3, } на его собственное под- подмножество 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- бесконечно. Примеры. Множества действительных или комплексных чисел содержат множество N натуральных чисел и, следовательно, бес- бесконечны. Отрезок [0, 1] также есъ бесконечное множество, так как он содержит множество N' чисел вида — (л=1, 2, 3, ... ), равномощное N. Определение 4. Множество, равномощное множеству на- натуральных чисел, называется счётным. Иными словами, счётное множество — это такое множество, элементы которого можно «перенумеровать» при помощи натураль- натуральных чисел так, чтобы при этом все числа были использованы и раз- различные элементы всегда имели бы различные номера. Таким обра- образом, счётное множество А всегда можно записать в виде А = { аи аъ ... , ап, ...}. Как показывают примеры в конце предыдущего параграфа, множества чётных или нечётных чисел, а также множество рацио- рациональных чисел счётньи Определение 5. Множество, не являющееся конечным, или счётным, называется несчётным. Следующий пример показывает, что такие множества действи- действительно существуют *). Множество всех действительных чисел несчётно. Заметим сначала, что из примеров 2 и 3 предыдущего параграфа следует равномощ- ность этого множества интервалу @, 1). Достаточно поэтому дока- доказать несчётность последнего. Мы будем считать известным, что каждое число интервала @, 1) записывается в виде конечной или бесконечной десятичной дроби вида О, аг а2 аъ ... 1) Существует даже бесконечно много различных мощностей, на чём мы останавливаться не будем, отсылая желающих к уже упомянутым выше книгам I1], стр. 40 или [г].
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- имеющих запись в виде конечной десятичной дроби, существует и другая запись, где все цифры ah 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 @, 1) будут единственным образом записываться в виде 0, ах а2 а3 ... , где не все аг равны 0 и никогда все цифры, начиная с некоторой, не могут равняться 9. Обратно, всякая такая десятичная дробь даёт число интервала @, 1). Легко иидеть, что интервал @, 1) есть бесконечное множество, ибо он содержит множество N'=l ' ' ' 111 \ 2 ' 3 ' 4 » "• J' равномощное множеству натуральных чисел (см. теорему 5). Пока- Покажем, что @, 1) не является счётным множеством. Предположим обратное. Тогда все числа интервала можно за- занумеровать так: (V, 1) | tj, t2, С3, ... f. Запишем каждое число десятичной дробью указанного вида: Cj = 0, аи а12 а13, ... с3 = и, а31 а32 а33 .. • Построим теперь число С := 0, Ь1 Ь<ь Ь3 . . . следующим образом: берём цифру Ъи отличную от ап, 0 и 9; бе- берём Ьъ отличную от а22, 0 и 9; Ь3, отличную от а33, 0 и 9; Ьп, от- отличную 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, КОЛЬЦА И ПОЛЯ выбора достаточно возможности (именно, каждый раз в нашем рас- распоряжении остаётся ещё семь цифр). Дробь О, Ь1Ь^ЬЪ ... обладает нужными свойствами и даже в усиленной форме —¦ она вовсе не имеет цифр 0 и 9. Значит, число с принадлежит интервалу @, 1). Но запись с отлична от записей всех чисел D). В самом деле, запись с отличается от с,, ибо Ь1фаи, от съ ибо Ь^фа^ и т. д. Но дробью нашего типа числа интервала записываются однозначно. Значит, с Ф с„ сфсъ сфс3, ... , сфсп, ... Оказалось, что число с не входит во множество чисел D), тогда как мы предположили, что в D) 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- счётное подмножество. Доказательство. Пусть М — бесконечное множество. Тогда МфО. Выберем какой-нибудь из его элементов и обозначим его через av Пусть в М уже выбраны п различных между собою эле- элементов аи аг,... , ап. Так как М бесконечно, то Af\{a1; a2, ... , ап}ф0 и можно выбрать элемент an+i ?M\{au ait ... , 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- получается из Ап присоединением одного нового элемента ап+1. Очевидно, что объединение со (J 1 А= (J Ап— {аи а2) ... , ап, ...} п=1 является счётным •подмножеством М. 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= {аи с2, ... , ап, ...}.
МНОЖЕСТВА 95 Пусть М\А = В, В ^эО. Определим отображение / множества М в себя следующим образом: /ю=а;+1 (я=1,2,... для любого Ъ ? 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- бесконечного 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- прежнему определению 2. В самом деле, если множество конечно в смысле определения 2, то по теореме 1 оно конечно и в смысле опреде- определения 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- теореме 7 бесконечно также в смысле определения 2', что невозможно. Итак, оба определения конечных множеств эквивалентны. Отсюда (посредством рассуждения от противного) сразу вытекает эквива- эквивалентность определений бесконечных множеств. Отметим, что определение 2' имеет то (правда, лишь формальное) преимущество перед определением 2, что оно формулировано в терми- терминах 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- которые были связаны с основным отношением, существующим между множеством и его элементами. Мы не рассматривали никаких со- соотношений 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- параллельными. Между тремя точками прямой существует отношение, выражаемое словами «одна из трёх точек лежит между двумя дру- другими». 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- натуральных 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<^Ь*) (читают: «а предшествует Ь»), обладающее следующими свойствами'. 1) между любыми двумя элементами аи Ъ существует одно и только одно из трёх соотношений: a = b, a<^b, b<^a; 2) для любых трёх элементов a, b и с из a<^b, b<^c сле- следует а<^с. Пустое множество считается упорядоченным. Замечание. Знак = мы всегда понимаем в смысле тождества, совпадения элементов. Запись а=Ъ просто означает, что буквами а и Ъ 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 Если а предшествует Ь, то говорят, что b следует за а и пишут: Отношение а~^>Ь 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- отношения <^ и ^>, т. е. вместо а<^Ь писать а^>Ь, и наоборот, то полу- получится новое упорядоченное множество М, порядок которого назы- называется обратным относительно порядка М. Например, для приве- приведённого 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- различными. 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- упорядочить обычным образом или в обратном порядке, можно нечетные 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- упорядоченные множества {1, 2, 3, ...}, A) {... , 3, 2, 1 }, B) {1, 3, 5, ..., 2, 4, 6, ... }, C) {I, 3, 5,..., 6, 4, 2}, D) {... , 5, 3, 1, 2, 4, 6, ...}, E) {..., 5, 3,1, .... 6, 4, 2}. F) 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 Ъ — соседние и а<^Ь, то говорят, что а непосредственно предшествует Ь, а Ъ непосредственно следует за а. Упорядоченное множество A) имеет первый элемент и не имеет последнего, множество B), наоборот, имеет последний элемент, но не имеет первого, множество D) имеет как первый элемент, так и последний, а множество E) — ни первого элемента, ни послед- последнего, множество C) содержит два элемента, не имеющих непосред- непосредственно предшествующего, множество F) —два элемента, не имеющих непосредственно следующего. Во всех этих множествах каждый элемент имеет соседний. Множество рациональных чисел, располо- расположенных по возрастанию, не имеет соседних элементов, так как между любыми числами а и b лежит число "Г Если а = Ь или а<^Ь, то пишут: а^Ь; если а — Ь или а^>Ь, то пишут: a^>zb. Из определения 1 легко вытекает справедливость следующих двух теорем: Теорема 1. Если а^Ь и Ь^а, то а=Ь. Теорема 2. Если а^Ь иА^с, то a =s с. Если a^b ub^c, то а^с. При этом, если хотя бы в одном из данных неравенств имеется строгое неравенство, то и в полученной неравенстзе будет строгое неравенство. Определение 2. Два упорядоченных множества А и В на- называются подобными, если между ними можно установить взаимно однозначное соответствие, сохраняющее порядок элементов, т. е. такое, что из следует ^ 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, кя. 1.
98 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Читателю предоставляется доказать, что отношение подобия обладает следующими тремя свойствами: I. Рефлексивность: A f^ A. II. Симметрия: если А^&В, то В ты А. III. Транзитивность: если 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 Ар&В следует Аг^ В. Обратное утверждение не верно. Так, множества A) и B) равно- мощны (даже просто равны как неупорядоченные множества), но не подобны, так как множество A) имеет первый элемент, а мно- множество B) — не имеет, тогда как при соответствии подобия первому элементу одного множества должен соответствовать первый элемент другого. Тбм 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- непосредственным следствием приведённой ниже теоремы 7. Для любых множеств в известной мере обратной теореме 3 является следующая теорема: Теорема 5. Любое множество А, равномощное упорядочен- упорядоченному множеству В, само можно упорядочить, т. е. определить для его элементов отношение порядка, обладающее свойствами I и II 1), и притом так, что полученное упорядоченное множество подобно В. Доказательство. Если ах и с2 — любые элементы мно- множества А, Ь1 и Ь% — соответствующие им, при взаимно однозначном отображении А на В, элементы В, и b1<^bi, то положим al<^ai. 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 ах ? А. Так как он не последний, то существует а2 ? А такой, что а1<^а? так как а2 — не последний, то существует а3 ? А такой, чт-о щ <^ аь. Бели элемент ап построен, то существует ап+1 ? А такой, что ап <^ a^j. По индукции элемент ап построен для любого п. Пусть N' = { аи ait a3, ...} ') Справедлива даже теорема, что любое множество можно, как говорят, вполне упорядочить (см. ['], стр. 99), но её доказательство выходит за рамки нашей статьи.
МНОЖЕСТВА 99 . множество всех построенных элементов. Очевидно, что из i <^ k сле- следует по свойству II а{<^ак, откуда по свойству I а1 ф аА. 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 оке числом элементов л^>0 подобны отрезку , 1, п \ натурального ряда и, зна- значит, подобны между собой. Доказательство. Пустое множество упорядочено по опре- определению. Если АфО— конечное множество, то Л»~|1,я|. Отре- Отрезок |1,л|, очевидно, есть упорядоченное множество. По теореме 5 множество А можно упорядочить. Пусть теперь А—любое конеч- конечное упорядоченное множество с числом элементов я^>0. По тео- теореме 6 множество А содержит первый элемент av Если л^>1, то множество А1 = А\{а1}ф0 и снова содержит первый элемент а,2, причём а^ <^ а2. Пусть уже построен элемент аь. Если 1<^п, то Ai — А \ { av а2, ... , а,-} ф О и по теореме 6 оно содержит первый элемент а/+1, причём а,-<^а/+1. Так мы построим элементы at для всех i^n. Множество Ап = { ai> аи> ¦¦¦ > ап } ~ I Ь п\~А. Множество А не равномощно собственному подмножеству (§ 4, тео- теорема 1). Значит, A~An={alt a2, ... , ап). Очевидно, что из i<^k следует at<^ak, т. е. А подобно от- отрезку |1, п\. Из этой теоремы следует, что все п\ возможных перестановок множества с п элементами имеюг один и гот же тип.
ГЛАВА II ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ § 6. Группа Арифметика и алгебра имеют дело с объектами различной при- природы: 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- оказываются одними и теми же. Вот почему вполне естественным и весьма целесообразным является построение в современной ал- алгебре самых общих образований, обладающих интересующими нас свойствами. В таком абстрактном виде легче выяснить значение и взаимоза- взаимозависимость 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- области. Чтобы лучше уяснить значение различных их свойств и одно- "^"временно избежать многократного повторения одних и тех же рас- рассуждений в применении к каждой из этих областей, мы рассмотрим в настоящей главе основные понятия абстрактной алгебры. Чита- ¦-Телю, желающему глубже изучить эти вопросы, рекомендуем статью Л. Я. Окунева *) и книги Л. Я. Окунева [3] и Б. Л. Ван-дер Вардена [1]. 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- рассмотренного 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- Отношения такого типа получили особое название, а именно: ') Э. э. м., кн. 2., Л. Я. Окуне в, Кольцо многочленов и иоле рацио- рациональных функций.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 101 Определение I. Соответствие, в силу которого каждой паре a, b элементов множества М, взятых в данном порядке, соответствует единственный третий элемент с того же мно- множества М, называется алгебраической операцией, определён- определённой в М. Используя понятие функции (§ 3, определение I), 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- параллелограмма, 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 a -\- b = с, то с — а = Ь; если ab = c, то а = -г. Эта связь операций выражает понятие обратной операции, которое в общем виде определяется так: Пусть дана операция, ставящая в соответствие паре элементов а, Ь из М элемент с. Те две операции, которые получатся из данной путём перемены в ней роли одного из элементов a, b и элемента с (одного из данных элементов с искомым), называются обратными для данной операции. Таким образом, первая обратная операция паре с, Ь ставит в со- соответствие 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- операции сложения и умножения, но обратные операции — вычитание и деление — не всегда выполнимы. Операция называется коммутативной, если её применение к па- парам a, 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) — аь не коммутативна, ибо аь ф Ьа. Первая обратная опера- ь — ция ft (с, Ь)= у с существует; вторая же—/2 (с, a) = loga с не определена для а = 1и сф\, а также для таких а и с, когда loga ess и (ведь мы рассматриваем нашу операцию лишь на множест- множестве 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- группой, если в нём определена алгебраическая операция, называемая умножением, которая каждым двум элементам a, b из G ставит в соответствие элемент ab также из G, называемый их произ- произведением, и обладает нижеследующими свойствами: I. (Закон ассоциативности.) a (be) = (ab) с'); И. (Закон обратимости.) Для любых а и b из G уравне- уравнения ах = Ь и уа = Ь разрешимы в G, т. е. в G существуют эле- элементы cud такие, что ac = b, da = b. Если групповая-операция коммутативна, т. е. ab = ba для любых a, b из G, то группа G на- называется коммутативной 2). Приведём несколько примеров групп. Пример 1. Все целые, все рациональные, все действитель- действительные и все комплексные числа являются группами относительно опе- операции сложения чисел, играющего роль групповой операции умно- умножения. ' Ни одно из этих множеств не является группой относительно опе- операции умножения чисел, ибо уравнения 0 • х= 1 не имеют решения. Пример 2. Все рациональные, все действительные и все ком- комплексные числа, исключая число 0, являются группами относительно операции умножения чисел. » Пример 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 s и t из G назовём отображе- отображение, полученное в результате последовательного выполнения данных отображений (сначала s, затем t), т. е. полагаем a (st) — (as) t для любого а ? Ж3). При таком определении операции умножения множество G является группой. В самом деле, закон ассоциативности 1 *) Знак = обозначает, как всегда, совпадение элементов. s) Коммутативные группы называются также абелевыми. 8) Можно под произведении st понимать выполнение сначала t, а за- затем 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: Но также Таким образом, для любого а из М. Это значит, что r(st) = (rs)t (оба отображения получаются в результате последовательного выполнения данных ото- отображений г, s, t). Докажем выполнение в G закона обратимости II. Пусть s и t — любые отображения из G. Для взаимно однозначного отображения s существует также взаимно однозначное обратное отображение s (§ 3). Именно, если as = b, то bs~1 = a. Очевидно, что ss~1 = s~1s = e, 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 s, получим: s (su) = s^t. По закону ассоциативности найдём: s~x (sit) — (s^s) a = eu = и, т. е. u = s~it. Итак, уравнение sx = t может иметь решение лишь s~4. Но это отображение действительно удовлетворяет уравнению sx=t, так как Аналогично доказывается, что уравнение ys=^t имеет единственное решение y = ts~1. Итак, G — группа. Она называется группой преобразования мно- множества М. Для конечного Ж-группа G называется также группой подстановок множества М. # Если М содержит более двух элементов, то группа подстано- подстановок 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 /1 2 3\ /12 3\ /1 2 3\ /12 3\ /1 2 3\ /12 3\ V^l 2 3J' \\ 3 2)' \2 1 3/' 1,2 3 1Г ^3 1 2)' \3 2 1 j' Перемножая, находим: /1 2 3\ (I 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ /1 2 3\ \1 3 2J Ч2 1 3J — \2 3 l) и ^2 1 3)'\1 3 2J —'\3 1 2J' 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 A811 — 1832). Следствия из законов ассоциативности и комму- коммутативности. Закон ассоциативности I позволяет говорить о про- произведении трёх элементов a, b и с группы G, понимая под этим любое из равных произведений a (be) и (ab) с, и писать рядом abc без скобок. Можно, однако, и без закона ассоциативности индук- индуктивно определить произведение i=I для любых п элементов а1г с2,..., ап из G (обоснование законности индуктивного определения будет дано в гл. III). Именно: i Определение 3. ТТ at = at для любого элемента а1 из G; п+1 п 1=Х Согласно этому определению имеем, например: и т- Произведение двух произведений также можно представить в виде произведения всех встречающихся элементов,, а именно: или в сокращённой записи: т п — т i = I. к = 1 «= 1 Докажем равенство A) при заданном т индукцией по п. При п=1 оно вытекает прямо из определения 3. Если A) верно для
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 105 числа п, то, применяя определение 3 и закон ассоциативности, на ходим: т п+I m n JJ at JJ am+k = JJ a,- (JJ am+k ¦ am+n+1 j = ( J » = I ft m n И j = I ft = I JJ °«- • am+n+i = JJ i=I что и доказывает A) для числа я —[— 1. Можно определить произведение любого конечного числа эле- элементов группы с любым распределением скобок и доказать его независимость от распределения скобок ["]. Для коммутативной группы G произведение п элементов не за- зависит о г порядка сомножителей, т. е. если f(i) — любое взаимно однозначное отображение множества 1, 2, ... , п на себя, то B) 2 = I i = I Наметим лишь ход доказательства, предоставляя читателю его детальное проведение. 1) Пользуясь правом вводить и отбрасывать скобки и законом коммутативности, доказываем, что произведе- произведение п элементов не меняется от перестановки двух соседних мно- множителей. 2) Перестановку двух любых множителей сводим к ряду перестановок соседних множителей. 3) Любую перестановку множи- множителей 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- единственности 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- элемента а из G называется элемент аГ1 такой, что ааГ1 = а~1а = е, где е — единица группы G. Теорема 1. В любой группе G существует единица е и при- притом 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 Ь 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- существование в G элемента ё такого, что аё = а для любого а из G. Тогда е = её = ё. Итак, е — единица группы G. Если et и е2 — две единицы, то ei = eje2 = е2, чем доказана единственность единицы е. Далее, по закону обратимости II существуют элементы b и с, для которых Ьа = е и ас = е. Тогда b = be = b (ас) = (Ьа) с = ес = с, т. е. Ь = с. Итак, элемент а~х = Ь обладает свойствем аа~1 = а~1а = е, т. е. является обратным для а. Если b и с — два любых элемента, обрат- обратных 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 act = b и ас^^=Ь. Значит, ac1 = aci. Умножая слева на аГ1, найдём cl=ci. 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 сГ1Ь и уравнение уа — b имеет решение ЬсГ1. Таким образом, группу можно было бы определить как множе- множество 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- примере 3 единицей будет е и каждый из элементов е и а будет об- обратным для самого себя. В примере 4 единицей будет тождествен- тождественное отображение множества М на себя, и обратным элементом для отображения s будет обратное отображение я. Произведение п одинаковых сомножителей а называется и-й степенью а и обозначается через а". Это определение имеет смысл для любого натурального числа п. Для п = 0 определяем а°=е, где е — единица группы G. Для це- целого отрицательного и = — т степень ап = а~т можно определить либо как (а~1)т, либо как (ат)~1. Оба эти определения эквивалентны, так как т раз т раз откуда (а~1)т=(ат)~1.
группы, кольцл и поля 107 Свойство произведения A) при совпадении сомножителей обра- обращается в известное свойство степени атап = ат+п. C) i Далее, индукцией по п легко доказать, что (ат)п — атп. D) . Для коммутативных групп из возможности перестановки сомно- сомножителей B) следует: .(ab)n = anbn. E) Мы указали, как равенства C), D) и E) доказываются для натуральных чисел т и п, однако эти равенства остаются верными для любых целых чисел т и п, что можно проверить путём рас- рассмотрения всевозможных случаев т ^ 0, п ==§ 0. Из однозначности решений уравнений ах — b и уа = Ь следует наличие в группе G обеих обратных операций для операции умно- умножения. В случае коммутативной группы G обе эти обратные опе- операции совпадают. В самом деле, если с — решение уравнения ах=Ь, то ас = Ь. Значит, са = Ь, т. е. с — решение уравнения уа = Ь. Определение 5. Операция, обратная для операции умно- умножения в коммутативной группе G, называется делением. Её ре- результат для элементов а и Ь, т. е. решение уравнений ах = Ь и уа = Ь, называется частным элементов b и а и обозначается и Ь через Ь: а или —. ч Аддитивная запись. Групповая операция может обозначаться через а ¦-{- b и называться сложением. Тогда говорят об аддитивной записи группы. В этом случае группа обычно предполагается ком- коммутативной. При аддитивной записи вместо 1 говорят о нуле и вместо обратного элемента аГ1 о противоположном элементе — а. Далее, вместо степени а" говорят о кратном па (не следует пони- понимать па как произведение п и а, ибо целое число может и не быть элементом группы G). Итак, па = а-\-а-\-а-\- ... -\-а. п раз Для аддитивно записанной группы G сумма п элементов обозна- обозначается так: л
108 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ и соответственно изменяется вид равенств A) — E). В частности, равенства C) — E) принимают вид (т -\- п) а = та -|- па, F) т (па) = (тп) а, G) п (а + Ь) = па -\- пЪ. (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 = Ь, называется разностью элементов b и а и обозначается через b — а. Подгруппа. Определение 6. Подмножество И группы G называется подгруппой этой группы, если оно само является груп- группой при той же групповой операции, что а в G. При выяснении того, является ли данное подмножество И под- подгруппой, можно пользоваться следующей теоремой: Теорема 2. Непустое подмножество И группы G будет под- подгруппой тогда и только тогда, когда 1) произведение двух любых элементов а и b из Н принадлежит И, 2) элемент сГ1, обратный для любого элемента а из Н, принадлежит к Н. Доказательство. Необходимость этих условий очевидна. Если, обратно, для И выполнены условия 1) и 2), то Н (как не- непустое множество) содержит элемент а, значит, по свойству 2) оно содержит и а~х и по свойству 1) аа~1 = е. Таким образом, Н со- содержит единицу е и вместе с любым элементом а содержит обратный элемент а'1. Так как закон ассоциативности автоматически перехо- переходит с G на И, то И—подгруппа группы G. Мы ограничимся лишь этими основными свойствами групп, отсы- отсылая читателя, интересующегося более глубокими свойствами, к спе- специальной литературе (см. [6] и [7]). § 7. Кольцо Мы рассмотрели в предыдущем параграфе свойства одной алге- алгебраической операции. Однако в случае чисел, которыми мы будем заниматься в дальнейшем, налицо две операции — сложение и умно- умножение,— связанные между собою дистрибутивным (распределитель- (распределительным) законом. В этом и следующем параграфах мы и рассмотрим общие свойства множеств с двумя операциями. При этом мы огра- ограничимся лишь нужным для чисел случаем коммутативных операций. Определение 1. Непустое множество R называется коль- кольцом, если в нём определены две алгебраические операции: сложение, ставящее в соответствие каждым двум элементам a, b элемент а-\-Ь, называемый их суммой, и умножение, ставящее в соответ- соответствие каждым двум элементам а, Ь элемент ab, называемый их
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 109 произведением, причём эти операции обладают следующими свой- свойствами: I. (Коммутативность сложения.) а-\-b = b-\-а; И. (Ассоциативность сложения.) а-\-(Ь-\-с) — = (а + Ь) ( + + III. (Обратимость сложения.) Для любых а и Ъ из R уравнение а-\-х = Ь имеет (по крайней мере одно) решение, т. е. существует элемент с?# такой, что а -\- с = Ь; IV. (Коммутативность умножения.I) ab=^ba; V. (Ассоциативность умножения.) a (be) = (ab) с; VI. (Дистрибутивность умножения относительно сложения.) (a -j- b) с = ас -\- be. Примеры колец. При обычных операциях сложения и умно- умножения кольцом является: 1. 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 а -\- Ы с целыми а и b (так называемое кольцо целых комплексных чисел). 8. Множество действительных чисел а-\- Ь \^2, где а и b — це- целые числа. Множество натуральных чисел, а также множество всех поло- положительных 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- обычные 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 (a, b) + (c, c?) = (a + c, b-\-d), (a, b)(c, d)={ac, bd). 1) В литературе термин «кольцо» применяется также ко множествам с некоммутативным или даже неассоциативным умножением. Формулировки других свойств также меняются. В конце даштой статьи при обобщении по- пятия 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- следствия, полученные из законов, ассоциативности и коммутативности в предыдущем параграфе. В частности, можно определить сумму и произведение любого конечного числа элементов (§ 6, опре- определение 3), для которых верны правила оперирования, аналогич- аналогичные A) из § 6 и которые не зависят от порядка данных элемен- элементов [§ 6, B)]. Свойства I—III показывают, что кольцо относительно операции сложения является коммутативной группой. Поэтому во всяком кольце существует элемент 0, называемый нулём кольца, со свой- свойством для любого а. Далее, для любого а существует противоположный элемент ~*-а такой, что —в) = (—в) + а = 0. При совпадении слагаемых или сомножителей мы получаем и-крат- ное па или л-ю степень а" элемента а. При этом степень ап опре- определена вообще лишь для натурального п, так как её определение для п г? 0 требовало существование единицы и обратного эле- элемента а'1, что в кольце может не выполняться. Свойства степени C) — E) из § 6 сохраняются также лишь для натуральных показа- показателей. В отличие от этого понятие и-кратиого па элемента а и его свойства F) — (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- коммутативной 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- многочленов. 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- определяется законом дистрибутивности VI. Прежде всего из VI и IV следует, очевидно, вторая форма закона дистрибутивности: а {Ь -\- с) = ab -\- ас. Далее, обе формы закона дистрибутивности оказываются вер- верными также и для разности, т. е. (а — Ь)с = ас — be, a(b — c) = ab— ас. A)
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 111 Для доказательства первого равенства надо проверить, что эле- элемент (а — Ь)с удовлетворяет определению разности элементов ас и be. Но действительно Ьс + (а — Ь)с = [b-\-(a — b)] 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 B) для любого а. Докажем лишь первое из равенств, так как второе вытекает из первого при помощи IV. По определению нуля и разности 0 = b — b для любого Ъ. Отсюда a-0 = 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- примере 10 кольца, составленного .из пар (а, Ь) целых чисел, нулём является, очевидно, пара @, 0). Если взять целые числа а ф 0 и b ^ 0, то пары (а, 0) и @, Ь) отличны от нуля кольца, но (а, 0)@, Ь) = @, 0). Определение 2. Элементы а и Ь кольца, для которых афО, ЬфО, но ab = 0, называются делителяли нуля. Кольцо без делителей нуля называется также областью целостности. Теорема 2. Из ab — ac следует Ь = с, если только афО и не является делителем нуля. Доказательство. Из ab==ac следует ab ¦— ас = 0 или а{Ь — с) = 0. Но так как а ф 0 и не делитель нуля, то b — с = 0, Ь = с. В дальнейшем нам придётся иметь дело исключительно с коль- кольцами без делителей нуля. Для них из ab = ac и а^ЬО следует Ь = с. При умножении справедливы обычные правила знаков2), а именно: a(—b) = — ab, {—a)b = — ab, (—a)(—b)=;ab. C) Первое из этих равенств доказывается так: аЬ-\-а(—Ь) = а[Ь + {— by\ = a- 0 = 0, откуда а(—b) = — ab. 1) Заметим, что пе следует пользоваться терминами «положительный» и «отрицательный» элемент, как для чисел. Эти понятия для любых колец будут введены в § 10. Пока же элемепты аи — а вполне равноправны, каждый из них является противоположным для другого, и если обозначить — а через Ь, то а придётся обозначить через — Ь.
112 ПОНЯТИЯ ШОЖЕСТГ.Л , ГРУПП'.!, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Второе вытекает из первого: (— с)Ь = Ь (— а) = — Ьа = — ab. Третье следует из первых двух: (— а)(— &) = — (— a) b = — (—ab) = ab. По индукции законы дистрибутивности обобщаются на любое конечное число слагаемых, а затем и на произведение двух сумм. Справедливы, таким образом, равенства ,., ,- ,.. ... т п Отсюда и из свойств кратного [§ 6, G)] при совпадении слагае- слагаемых каждой суммы, т. е. при at = a (i=l, 2, ... , п), bk = b (*=1, 2, ... , от), следует далее: {па) b = a (nb) = п (ab), (па) (mb) = n[m (ab)] = (nm) (ab). } E) В главе IV нам понадобятся следующие свойства разности эле- элементов кольца: Теорема 3. (Свойства разности.) В любом кв-льце раз- разность элементов обладает следующими свойствами: а) а — b = c — d тогда и только тогда, когда a-\-d = b-\~c; б) (a-&) + ) ( + * + rf) в) (fl_+ )(| г) (а — Ь)(с — d) = (ac-\-bd) — (ad-\-bc). Доказательство. Прибавляя b-\-d к обеим частям равен- равенства а—b = c — d, получим: a-\-d = b-\-c. Обратно, прибавляя (—b)-\-(—d) к обеим частям второго из этих равенств, получим первое. Этим доказано а). Равенства б), в) и г) доказываются ана- аналогично. 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- рациональных чисел.
группы, кочьцл и поля 113 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 R. Сложение в М совпадает со сложением в R. Но из единственности обратной операции следует, что и вычитание в М совпадает с вычитанием в R. Поэтому сумма, разность и произведение любых двух элемен- элементов из М (определённые в кольце R) должны принадлежать снова к М, так как иначе одна из этих операций для данных двух эле- элементов М была бы невыполнима в М, что противоречит определе- определению кольца (см. определение 1) и следующей из него выполни- выполнимости вычитания. Для доказательства- достаточности предположим, что множе- множество М удовлетворяет условиям теоремы. Так как сумма и произ- произведение (определённые в R) любых элементов из М снова принад- принадлежат к М, то их можно принять за результат сложения и умно- умножения в /А. 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 М. Пусть а и Ь — элементы М. Тогда Ъ — а = с также есть Э1емент М. Но по свой- свойству разности в R имеем: а-\-(Ь — а) = Ь или а -\- с = Ь. Таким образом, и свойство III выполнено в М, и М является под- подкольцом кольца R. § 8. Поле Примеры колец, приведённые в предыдущем параграфе, пока- показывают, что в отношении обратной операции для умножения (в от- отличие от сложения) различные кольца обладают совершенно раз- различными свойствами. Так, в кольце целых чисел деление выполняется лишь в исключительных случаях, причём все элементы кольца де- делятся на -J-1 и — 1. 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, ни. 1.
114 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ VII. (Обратимость умножения.) Для л.обых а и b из Р, где афО, уравнение ах = Ь имеет (по крайней мере одно) реше- решение, 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 не г элемента а ф 0, но не выполнено свойство VIII. В остальных примерах не выполняется свойство VII. Приведём ещё следующие примеры полей. 1. Множество комплексных чисел а~\-Ы с любыми рациональ- рациональными а, Ь (так называемое поле рациональных комплексных чисел; сравнить с примером 7 из § 7). 2. Множество действительных чисел вида а + Ь ]/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: 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- операции сложения. Все элементы ноля, не равные нулю, образуют группу относительно операции умножения. В самом деле, если афО и Ь ф 0, то уравнение ах = Ь имеет решение q ф0, ибо а • 0 = 0 ф b (§ 7, теорема 1). Поэтому свойства умножения IV, V (§ 7, опреде- определение 1) и VII доказывают наше утверждение. Группа по сложению всех элементов поля называется аддитивной, а группа по умноже- умножению 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- дистрибутивного 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 Ф 0 эго следует ш свойств единицы группы, а для а=0 — из свойства нуля при умножении.
ГРУППЫ, КОЛЬЦЛ И ПОЛЯ 115 Далее, для любого а ф 0 существует обратный элемент а'1 такой, чго иа'1 =а~1а = е. При эгом единица е и обратный элемента'1 для данного а определяются однозначно. Если в кольце существует единица, го только одна, ибо, если е, и е2 — единицы, то et = е,е2 = е2. Если для элемента а кольца с единицей существует обратный элемент, то только один, ибо, если Ь 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 п~^>1. Если в кольце /? существует единица е ф 0 и для любого аф О существует обратный элемент а'1, 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- умножение обладает обратной операцией — делением. При этом част- частное — однозначно определено для любого а, не равного нулю, и любого Ь. Для b:' 0 это следует из свойств мультипликативной группы ноля (§ 6), а для Ь=?0 имеем: -==0, так как а- 0 = 0. Дополнительное требование а ф 0, входящее в свойство VII, нару- нарушает 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^/ЬО не имеет решения в поле или даже в кольце, содержащем элементы, отличные or нуля. Действительно, если q— решение ука- указанного уравнения, то aq = 0 • q = O = b, что невозможно. Поэтому деление на нуль невозможно, если делимое отлично от нуля. Част- 0 ное -„ может равняться любому элементу кольца, так как для любого q имеем: 0 • q = 0. Теорема 1. Поле не имеет делителя нуля (§ 7, определе- определение 2), т. е. если а^:=0, то либо а = 0, либо Ь = 0. Доказательство. Если ab^=O и афО, то, умножая обе части равенства на а'1, найдём 1 •b = a~l -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- содержащее более одного элемента, является полем. Доказательство. Достаточно проверить свойство VII. Пусть а ф 0. Каждому элементу х кольца поставим в соответствие элемент у = ах. Если xt ф дг8, то также У\ФУч, ибо иначе ax1 = axi и ху =х% (§ 7, теорема 2). Значит, х—*-у еегь взаимно однозначное 8*
116 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГГУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ отображение всего кольца R на некоторое его подмножество Л1, т. е. R ~ М. Но по теореме 1 из § 4 конечное множество R не равномощно своему собственному подмножеству. Поэтому R?=M, т. е. для любого элемента b d R существует в R элемент q такой, что q-*-b, т. е. aq = b, что и доказывает VII. Так как все элементы поля, отличные от нуля, образуют по умножению коммутативную группу, то для любого элемента а ф О степень ап определена при любом целом показателе п, причём спра- справедливы обычные свойства степени [см. § 6, C) — E)]. Для частного элементов любого поля верны те же правила опе- оперирования, что и для обыкновенных дробей. В главе V нам пона- понадобятся следующие свойства частного: Теорема 3. (Свойства частного.) а) Если ЬфО, d ф О, (I С то -^ = - тогда а только тогда, когда ad = bc; _.ч , _ . _ а _. с ad -*- be б) если Ь ф 0, d ф 0, то -у- ± -,- =—~~ ; ч г / <* г / п а с ас в) если b ф 0, d ф 0, то -^ • ч=м-; г) если ЬфО, сфО, dфO, то j ¦ °а =1С ¦ Доказательство. Помножая обе части равенства т- = -тиа bd, получим: ad = bc. Если, обратно, дано равенство ad = bc, где ЬфО и d ф 0, то, полагая -=- =х, --. ^=у, получим: bdx^^ad, tdy = bc, откуда bdx = bdy. Умножая обе части равенства на Ь'1 и drl, получим: х=у, т. е. -^ = —. Этим утверждение а) доказано. Утверждения б) и в) доказы- доказываются аналогично второй части утверждения а). Наконец, для дока- доказательства утверждения г) достаточно убедиться, что а с ad ~b~~d "bc- Ко это равенство следует, очевидно, из в) и а). Теорема доказана. Характеристика поля. Существуют поля, содержащие элементы а ф 0 такие, что па = 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 афО п любого цсгого числа п фО кратное па также отлично от нуля;
группы, кольц\ 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- существуют элемент поля а ф О и целое число п ф О, для которых яа = 0. Докажем, что тогда имеет место случай б). Для любого ЫР существует q такое, чго aq — b. Тогда по E) из § 7 также nb = n (aq) = (па) q = О • q = 0. Достаточно поэтому доказать, что случай б) имеет место для какого-нибудь одного элемента а ф 0, например для единицы е. По доказанному пе = 0, значит, и (—n)ez= — пе = 0. Одно из чисел it н —п — положительное. Существуют, следовательно, натуральные числа k такие, что ke = 0. Пусть р будет наименьшее из чисел k с этим свойством2). Покажем, чго р — число простое; рф\, так как \ • е = е фО и ре = 0. Если р делится на q, где l<Cq<C.P> то p = qr и также 1<г<>. Тогда по E) из § 7 ре = (qr) (ее) = (qe) (re) = 0, и ввиду отсутствия делителей нуля (теорема 1)либо qe = Q, либо ге = 0, что невозможно, ибо р — наименьшее натуральное число, обладающее этим свойством.' Пусть k — любое натуральное число такое, что ke = 0; деля k на р, найдём: k=pq-j- r, где остаток г удовлетворяет условию 0^г<^р. Тогда из F) § 6 и E) §7 сле- следует: ke — (pq -\-r)e = (pq) e-\-re — q (ре) ~\- re = 0 -\- re = re = 0. Значит, должно быгь r=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 пафО для любого элемента а Ф 0 и любого целого числа пфО и простое число р такое, что ра = 0 для любого элемента а в противном случае. Так как для числа 1 и любого целого п будет п • 1 =/г, то все числовые поля имеют характеристику 0. Пример поля характеристики р^>0. Пусть п — любое натуральное число, большее единицы. Тогда все целые числа могут быгь разбиты на классы, так что к одному классу принадлежат все ') Под простым числом понимается натуральное число, отличное от 1 и не делящееся ни на какое натуральное число, кроме 1 и самого себя. 2) Что всякое непустое мпожестпо натуральных чисел содержит пай- меньшее число, будет доказано и г кто HI.
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: @), A), B), ... , (п—1). Очевидно, что два числа а и Ь тогда и только тогда принадлежат к одному классу, когда их разность а — b делится на п1). Пусть Сп — множество всех определённых таким образом классов целых чисел. Определим в С„ операции сложения и умножения. Если (г) и (s)— два класса, причём класс (г) содержит число а и (s) — число Ъ, то суммой (г) -\-(s) данных классов назовём класс, содержащий число а-\-Ь, и произведением (г) • (s)— класс, содержащий число ab. Сумма и произведение классов определены однозначно, т. е. не зависят от выбора представителей а и Ь этих классов. В самом деле, если а и а' — два числа из класса (г) и b и Ь' — два числа из класса (s), то числа а— а' и b — Ь' делятся на п. Поэтому также ab — ab' = (ab — a'b) + (ab — a'b') = (a — a')b-\- a' (b — b') делятся на п. Но это значит, что числа а -\- b и a' -J- Ь' принадлежат к одному классу и то же верно для чисел ab и a'b'. Свойства кольца I—VI (§ 7, определение 1) для классов авто- автоматически выполняются, так как эти свойства верны для целых чи- чисел, и операции над классами определены через операции над пред- представителями. Итак, С„ является кольцом. Оно называется кольцом вычетов по модулю п. Нулем кольца С„ является, очевидно, класс @), состоящий из всех чисел, делящихся на п. Если n^kl—число составное, то кольцо Сп содержит делитель нуля, так как (k) ф @) и (/) ф @), но (k) ¦ (Г) = @). Если же п =р — число простое, то кольцо Ср не имеет делителей нуля, так как, если (г) • (s)^@), то rs делится на р, и значит, либо г, либо s делится на р, т. е. либо (г)=0, либо (s) = 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) = @) 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- заданы в поле Р. Тогда Р называется надполем или расширением поля М. Так, поле рациональных чисел является подполем поля действи- действительных 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 Л\ по гя Р, содер- содержащее не менее двух элементов, было подполен, необходимо и достаточно, чтобы сумма, разность, прочзведение и частное (если только оно существует в Р) любых элементов из М скова при- принадлежали к М. Доказательство вполне аналогично проведённому для соответ- соответствующей теоремы о кольцах (см. § 7, теорема 4), и мы его при- приводить не будем. Всякое подполе М поля Р содержит 0 как разность а — а, где а? М, и единицу как частное —, где а6 М, а=?0. Теорема б1). Пересечение (в смысле пересечения множеств; см. § 2) любого множества подполей поля Р опять является под- полем поля Р. Доказательс гпо. Пусть { Ms \ есть некоторое мяожестзо под- подполей, где индексы s образуют множество 5 и D [\ Ms — пересечение всех подполей Ms данного множества; 0 и 1 входят в каждое под- подполе Ms и, значит, в D. Итак, D содержит не менее двух элемен- элементов. Если а и b — элементы D, то они входят в каждое Ms и по теореме 5 а-\-Ь, а — Ь, аЬ, а при Ъ ^=. О и -г также сходят в Als, а значит, и в Л). 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 «• 1=п, т. е. все целые числа, а зна- значит, 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 пычетов по простому модулю р содержит класс A), служащий единицей Ср, а значит, любой класс (г) как r-кратное класса A). Итак, М = Ср, т. е. Ср — простое поле. Можно доказать, что этими полями в некотором смысле исчер- исчерпываются все простые поля. Теорема 7. Любое поле содержит простое подполе и при- притон только одно. Доказательство. Поче Р вообще содержит подполя (на- (например, 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 в'рпа и для колец, т. е. пересечение любого мпожества подколоц 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 Судет подполем и для Р, и D не входит в М, что невозможно. Итак, D — простое иод- поле Р. Если U — также простое подполе поля Р, то пересечение fj" — D П D' будет опять подполем поля Р, причем D" c^D и /7'cz Л'. Но из определения 3 следует, что в таком случае D" будет под- подполем как для D, так и дчя D', а так как D и D' — простые подполя, то ?) = ?>" = ?>', чем доказана единственность простого подполя. § 9. Аксиоматическое построение математики. Изоморфизм Каждая математическая теория изучает множества с теми или иными отношениями элементов, обладающими темп или иными свой- свойствами. Содержание теории заключается в определении одних отно- отношений (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 «бсхьше» и «меньше» определяется через другое, с их помощью определяется понятие «первый элемент» и т. д. (§ 5); в теории колец отно- отношение а — Ь = с и понятие «нуль» определяются через отноше- отношение а-\-Ь = с. Ясно, что определить все понятия и отношения и доказать все их свойства невозможно по причинам чисго логического характера: каждое определение лишь сводит данное понятие к другим, а каждое доказательство лишь выводит данное свойство из других. Прихо- Приходится поэтому некоторые отношения (или понятия) оставлять без определения. Они называются основными отношениями или поня- понятиями. 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- математической теории) для данной теории совершенно безразличны. Так именно было, например, в трёх последних параграфах при определении группы, кольца и поля как множеств элементов с данными отноше- отношениями (операциями сложения и умножения), обладающими данными основными свойствами; так обстоит дело при аксиоматическом по- построении геометрии (см. [8] и [9]), где точки, прямые и плоскости — объекты, природа которых для формального построения геометрии совершенно безразлична, лишь бц между ними бы щ определены.
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 121 оснопные 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- зависимости 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- содержания 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- множества, исходя из конкретных свойств его элементов, то, изучая в абстрактной форме свойства основных отношений, данная гсория изучает, таким образом, некоторые конкретные свойства целого класса конкретных множеств. ,Это диалектическое единство абстракт- абстрактного 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- материальных тел. Таким образом, несмотря на абстрактный характер построе- построения современной математики, для неб 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- затушевать 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 ЛЪ а М', в каждом из ко- которых определены отношения элементов, образующие некоторую 1) Ф. Энгельс, Лити-Дюринг, 1918, стр. 37.
122 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ систему отношений S, называются изоморфными {запись Мд^_ относительно данной системы отношений (короче просто изо- изоморфными), если между ними существует взаимно однозначное соответствие, сохраняющее все отношения системы S, т. е. та- такое, что если любые элементы М находятся в любом из отно- отношений системы S, то соответствующие им элементы М' нахо- находятся 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- свойствами: 1) Мд^М, 2) если Мд^М', то М'д^М, 3) если Мд^М и М'д^М", то Мд^М". Например, в случае отсутствия каких-либо отношений (в случае, когда система отношений 5 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- одинаковость всех рассматриваелшх свойств множеств, можно формулиро- формулировать в виде следующего общего положения: Если множества М и М изоморфны относительно некоторой системы отношений S, то любое свойство множества М, форму- формулированное в терминах отношений системы S (и, значит, и отно- отношений, определяемых через отношения системы S), переносится на множество М', и обратно. Разберём это положение на конкретном примере. Пусть в множествах М и М определено отношение «больше», и они изоморфны относительно этого отношения; тогда, если А\ упорядочено, т. е. если в М выполнены свойства 1) и 2) из § 5, го 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 Ж выполнено одно из соотношений а^=Ь, а^>Ь, Ь^>а. Отображение М на М сохраняет отношение «больше». Значит, выполнено одно из соот- соотношений a' = b', a'~^>b', Ь'^>а'. Если бы в М выполнялось более одного из них, то из сохранения отношения «больше» при отобра- отображении М на М следовало бы выполнение более одного отношения для а и Ь, что противоречит условию 1). Докажем свойство 2). Если а ^> Ь' и V ^> с', то также а ^> b и 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- дополнительным требованиям, что для любых а и b существует одно и
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПО1Я 123 только одно с, для которого а-\-Ь = с или ab = c (эти два требо- требования 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- упростить по сравнению с определением 1, а именно требовать сохра- сохранения основных отношений лишь при переходе от Ж к М. Огра- Ограничиваясь случаем колец и полей, нужным в дальнейшем при опреде- определении 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- изоморфным кольцу (соответственно полю) R' (запись Rg^R'), если суще- существует 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- отображение R' на R также сохраняет сумму и произведение. Пусть в R' имеем: а'-\-Ь' = с, и элементам а', Ь', с'при обратном отобра- отображении соответствуют а, Ь, с из R. Надо доказать, что а -\- b = с. Но если a-\-b = d^z с, то из определения 2 следовало бы а! -\-Ь'^= = d'^zc', что противоречит однозначности операции сложе- сложения в R'. В последнем рассуждении мы не пользовались аксиомами кольца I — VI. Поэтому определение 2 дословно переносится на любые множества, в каждом из которых задано две алгебраические опера- операции—-сложение и умножение. Теорема 1. Пусть R и R' — множества, в каждом из кото- которых определены операции сложения и умножения. Пусть R изо- изоморфно R' (в смысле определения 2). Тогда, если R есть кольцо (или поле), то a R' будет кольцом (соответственно полем). Доказательство. Достаточно убедиться в справедливости для R' аксиом I — VI или I — VIII (§ 7, определение 1 и § 8, опреде- определение 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 (: R такой, что а-\-с — Ь. Если с—>с', то в силу изоморфизма также а'-4-с' = Ь', т. е. с' есть решение уравнения а' -(- х' = Ь'. Значит, R' также обладает свойством III. Читателю рекомендуется доказать справедливость в R' остальных аксиом. Вместе с основными свойствами при изоморфизме сохраняются и псе другие свойства, являющиеся следствиями основных. Так, при изоморфизме колец R и R' нулю R соответствует нуль /?', и если R содержит единицу, то и R' содержит единицу, причём она соот- соответствует единице из R. В самом деле, из й-(-О = а в R следует
124 ПОНЯТИЯ МИОЖЕ^ТТП, ГРУППЫ, КОЛЬЦ\ И ПОЛЯ а'-\-О' = а' в R' и из а • 1=а в R следует а • Г = «' в R' любого элемента а' из /?'. Большое значение при построении числовых полей будет иметь следующая, почти очевидная: Теорема 2. Пусть R — подкольцо кольца S и R' — кольцо, изоморфное R а не имеющее общих элементов с S. Тогда для лю- любого данного изоморфного отображения f кольца R на R' суще- существует кольцо S', содержащее в качестве подкольца R' и изоморф- изоморфное кольцу S, причём существует изоморфное отображение g кольца S на S', созпадающее на R с данным отображгнием /, т. е. такое, что g (a) = f (а) для любого элемента а из R. Если S — поле, то и S' будет полем. Если R — подполе S, то и R' — под- подполе S'. Доказательство. Пусть 5' — множество, полученное из S путем замены элементов R на элементы R', т. е. S'== (S\/?) (J R'. Строим такое отображение g множества 5 на S': если a?S x/?, то положим g(a) = a; если a dR, то положим g(a)=f(a), где f(a)—• элемент R', соответствующий а при данном изоморфизме /. Так как /—взаимно однозначное отображение R на R', g—¦ взаимно однозначное отображение S\/? на себя и множества 5 и R' не имеют общих элементов (достаточно даже, чтобы 5 \ R и/?' не имели общих элементов), то g является взаимно однозначным отображением 6' на S'. Операции сложения и умножения в 5' определим через операции в 5 путём перенесения их я S' с помощью отображения g, т. е. положим A) для любых элементов а и b из 5. Так как в силу взаимной одно- однозначности отображения g для ^любого а' из 5 существует очин и только один элемент а из 5 такой, что g(a) = a, то g(a) и g(b) — любые элементы S', и равенства A) действительно определяют алге- алгебраические операции в 5'. Одновременно равенства A) показывают, что относительно сло- сложения и умножения 5' изоморфно 5 и по предыдущей теореме 5 — кольцо. Если ?—поле, то и S' — поле. Покажем, что операции в 5" для элементов R' совпадают с опе- операциями, заданными в кольце R'. Так как / — изоморфное отобра- отображение R на R', то справедливы равенства /(а)+ /(*)=/(*+ 6), f{a)f{b)=f(ab) B) Д1Я любых а и b из R. Но если в A) g(a) и g(b) принадлежат R', то a, b, a-\-b и ab принадлежат R, и по построению отображения g равенства A) со*
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 125 впачяют с раиенсгвамн B), где сложение и умножение в левых частях означают операции, заданные в кольце R'. Этим указанное совпадение операций доказано. Значит, R' — подкольцо 5'. Если R —¦ подполе 5, то по предыдущей теореме R' — также поле, т. е. под- • поле S. Теорема доказана. § 10. Расположенные кольца и поля До сих пор мы рассматривали либо множества без всяких отно- отношений между эчементами (§ 1—4), либо множества с одним отно- отношением порядка (§ 5), либо множества с одной или двумя алгебраи- алгебраическими операциями (§ 6—9). Однако важнейшую роль в матема- математике 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- положительности, отрицательности и абсолютной величины элементов (см. § 7, . определения 1 и 3). Наличие операций позволяет несколько упростить введение по- порядка 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 следующий требованиям: IX. Для любого элемента a ?R имеет место одно и только одно из трёх соотношений: а = 0, а положителен, —а положи- положителен. X. Если а и b положительны, то а-\-Ь и ab также положи- положительны. Если — а положителен, то а называется отрицательным. Теорема 1. Если в расположенном кольце R определить порядок, считая а^>Ь тогда и только тогда, когда элемент а — Ъ 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~^>Ь, если —(а — b) = b — 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. а~^>с (§ 5, свой- свойство II). Итак, R — упорядоченное множество. Если а положителен, то из а —а — 0 следует а^>0; если а отрицателен, то из —а = 0 — а следует ^
126 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПО1Я 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 a) a^>b, a = b, а<^Ь следует соответственно б) a-\-c^>b-\-c, а-\-с = Ь-\-с, а-\- с<^Ь-\-с и при с^>0 соот- соответственно в) ac~^>bc, ac = bc, ас<^Ьс, а при с<^0 — соответ- соответственно: г) ac<^bc, ac = bc, ас^>Ьс. Доказательство. Если а^>Ь, то т. е. а -\- с^> b -]- с. Если а — b, то ас —be по однозначности сло- сложения. Если а<^Ь, то Ь^>а, и по первому случаю b -\- с ^> a -j- с, а -]- с <^ b -\- с. Случай б) доказан. Если а^>Ь, с^>0, то а — Ь^>0, и по условию X (а — Ь)с = ас — be ^> 0, ас^> be. Если с<^0, то —с^>0, и по правилу знаков при умножении [§ 7, формула C)] имеем: be — ac = (b — a)c = [— (? — а)](— с) = (а — Ь)(— с)>0, be ^> ас, ас <^ be. Итак, оба первых случая и) и г) доказаны. Остальные случаи вытекают из первых дословно, как при доказательстве б). Справедливы также обратные теоремы, а именно: Теорема 3. Из а-\-с>b-\~с, а-\-с = Ь -\-с, а-\-с следует соответственно a^>b, a — b, a<^b. Из ас ^> be, ас — be, ас <^ be следует при с^>0 соответственно a^>b, a — b, a а при с<^0 — соответственно b, a — b, a
ГР1НПЫ, 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), и), 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 афЬ. Тогда имеет место какая-то из других посылок а) тео- теоремы 2. Но если а^>Ь, то по теореме 2 ас^>Ьс, если же а<^Ь, то ar<^bc, что невозможно ввиду ас = Ьс, чем исключаются нера- неравенства ас^>Ьс и ас<^Ьс. Следствие 1. В расположенном кольце из а) а — b^-C — d следует соответственно б) и обратно. В самом деле, прибавляя к обеим частям а) сумму b-\-d, полу- получим 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) 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 a^>b a c^>d следует a-f-с^>b-\-d и, если все элементы а, Ь, с, d положительны, то ac^>bd, если же все они отрицательны, то ac<^bd. Верна также теорема, получаю- получающаяся из данной, если знаки ^> и <^ поменять местами. Доказательство. По теореме 2 из а^>b следует a-f- -\-c^>b-\-c, из с ^> d следует b -\- с ^> b -j- d, откуда а -\- с ^> b -\- d. Точно так же доказывается, что при положительных а, Ь, с, d будет ac^>bd. Пусть а, Ь, с, d отрицательны. Тогда из а^>Ь сле- следует 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 = 0. Тогда ab = а • 0 и по теореме 3 при афО, т. е. с^>0 или а<^0, должно быть ? = 0.
128 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВЛ, ГРУППЫ, КО1ЬЦЛ И ПОЛЯ Теорема 6. Характеристика (см. § 8, определение 2) рас- расположенного поля Р равна нулю. Доказательство. Пусть афО, ad P. Если а^>0, то по свойству X для любого натурального п также па^>0, а так как (—л)а = — па, то па ф 0 при любом целом п. Если с<^0, то — а^>0 и п (—а) ф 0, при любом целом л. Значит, пафО, если а^О и /г -ф 0. Теорема 7. Сужлод квадратов (и, в частности, всякий квад- квадрат) конечного числа элементов расположенного кольца больше или равна пулю, причём равенство может иметь место лишь в том случае, когда все данные элементы равны нулю. Доказательство. Для одного элемента, если ai = 0, то а\ — 0. Если же aY ф 0, то или а, ^> 0, или — ау ^> 0 и тогда а\ = а1а1 = (— at) (— а,) > 0. Для л;=1 теорема верна. Пусть она верна для п элементов. Тогда п (-1 п как сумма неотрицательных слагаемых (см. свойство X). Если одно из двух слагаемых ^>0, то и сумма их ^>0. Значит, в случае ра- DCHcrua нулю оба слагаемых равны нулю, т. е. л i 1 Отсюда по доказанному аП|1=0 и по предположению индукции Определение 2. Абсолютной величиной элемента а рас- расположенного кольца (и, в частности, поля) называется неотри- неотрицательный из элементов аи — а. Абсолютная величина элемента а обозначается через а \. Согласно этому | 0 | — 0 и при а у? 0 всегда | а | ^> 0. Теорема 8. Абсолютная величина суммы конечного числа элементов меньше или равна сумме абсолютных величин слагае- слагаемых. 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, что
ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 129 причём равенство имеет место тогда и только тогда, когда либо а^О, Ь^О, либо a=s;O, b^O, а также доказать, чхо \аЬ\ = \а\-\Ь\. B) Если а^О и Ь^О, то также а-\-Ь^О и Если gssO и 6=г?0, то — _( откуда Итак, в этих двух случаях A) имеет место при знаке =. По симметрии а и b в A) из двух оставшихся случаев я^>0, #<^0 и a<^0, b~^>0 достаточно разобрать лишь первый. По теореме 2, прибавляя а к неравенству Ь<^—Ь, получим: Точно так же, прибавляя — b к неравенству — а<^а, получим: _(a + *) = (-a)-f-(-*)<e + (-6) = |a| + |*|. Но |с-|-^| совпадает либо с а-\-Ь, либо с —(а-\-Ь). Поэтому Итак, в этих двух случаях A) имеет место при знаке <^. Равенство B), очевидно, выполнено, если хогя бы один из эле- элементов a, b равен нулю. Остаётся разобрать три случая: 1) a>0, b^>0. По свойству X ab^>0 и \ab\ = ab = \al - \Ь'. 2) g<0, fc<0, —a>0, — ?>0, (— a)(— ft)>0 и по пра- правилу знаков C) из § 7 3) а>0, Из неравенства A) следует \а\ — \Ь\ C) для любых элементов а и b расположенного кольца R. В самом деле, так как а -\- b = а — (— Ь) и [ b | = | — й |, то достаточно У Уыциклоиедия, кн. 1.
130 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ доказать C) для случая разности а — Ь. Но из я = (а — b)-\~b и b = (b — а)-\-а по A) найдём: |а|е?|о — &| + |?| и откуда поэтому 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 R. Именно, положительный элемент кольца R больше отрицатель- отрицательного, что ясно из сравнения с нулём. Из двух положительных эле- элементов 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 — b = (— b) — (— а) = | b | — | a | и поэтому а ^> b тогда и только тогда, когда \а \<^\Ь\. Если по симметрии с обозначением элемента, противоположного а, через —а обозначить сам элемент а через -\-а, то каждый элемент можно выразить через его абсолютную величину так: а—±\а\, где знак -J- берётся для положительного и — для от- отрицательного 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- слагаемые. В самом деле, если а^>0 и Ь^>0, то эго очевидно; если же а<0 и ?<0, то а + Ь={—\а\) + (—\Ь\) = -{\а\ + \Ь\). 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 | а|^>,# |, то Если же |а|<^|#|, 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- умножения это следует из правила знаков в любом кольце [§ 7, C)], ибо аЪ = (±|а|) • (±\Ь\), а для деления (если оно выполнимо) выводится отсюда так: если —г- = с, то а = be, \ а \ = \ Ъ \ ¦ \ с |, от- откуда [fj = |e|. При умножении на положительный элемент знак сохраняется, а на отрицательный — меняется. Поэтому из a —be следует, что при одинаковых знаках а и b частное с положительно, а при раз- разных 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- правила являются следствием аксиом I — VI, IX и X. Есть, однако, одно важное свойство чисел, которое уже не пе- переносится 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- определении. 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 Ь^>0, существует натуральное число п такое, что nb^>a. 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^>а. Действительно, если Ь^>0, то существует натуральное число п, для которого ne^>~j-, и, умножая на #^>0, получим: Пример 1. Кольцо целых, поле рациональных и поле действи- действительных чисел архимедовски расположены (доказательства даны в соответствующих главах). Пример 2. Пусть R есть кольцо многочленов /(х) = ао + а1х-)-аак*-\-. . .-\-апхп с рациональными коэффициентами (при обычных операциях сложения а»
132 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ и умножения). Будем считать многочлен f(x) положительным, если его старший коэффициент ап положителен. Легко видеть, чго аксиомы IX и X определения A) выполняются, т. е. R — располо- расположенное кольцо. Но хотя 1^>0, п ¦ 1=п<^х при любом натураль- натуральном (даже при любом рациональном) я, так как х— я^>0. Значит, R— неархимедовски расположенное кольцо. Алгебраические дроби fix) вида . . , где f(x) и g(x) — многочлены кольца R, образуют поле Р. Читателю предлагается доказать, что поле Р будет распо- расположено, если дробь считать положительной, когда f(x) и ?\Х) g(x) имеют одинаковые знаки при указанном выше расположении R. Так как снова п • 1<Сх, то Р—неархимедовски расположенное поле.
Г Л А В A HI 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- элементы всякого непустого множества N, в котором для некото- некоторых элементов а, Ъ существует отношение «Ь следует за а» (число, следующее за а, будем обозначать через а), удовлетворяю- удовлетворяющее следующим аксиомам: I. Существует число 1, не следующее ни за каким числом, т. е. а' ф\ для любого числа а'). II. Для любого числа а существует следующее число а' и при- притом только одно, т. е. из а = Ъ следует а' = Ь'. III. Любое число следует не более чем за одним числом, т. е. из а' — Ь' следует а = Ь. IV. (Аксиома индукции.) Любое множество М натураль- натуральных 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- предложенной 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 jb — различие эле- элементов множества.
134 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ элементы всякого множества N, обладающего перечисленными свойствами. Действительно, возможны различные множества, удовлетворяю- удовлетворяющие определению 1, но все они изоморфны относительно основного отношения «й 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- доказательство по индукции состоит в следующем. Пусть надо дока- доказать некоторую теорему, в формулировке которой участвует нату- натуральное число п (как, например, в формуле бинома Ньютона). Тогда доказывают эту теорему, во-первых, для л=1 и, во-вторых, для числа п-\-\, предполагая, что она верна для числа п. После этого теорема считается доказанной для любого числа п. То, что теорема действительно доказана для любого п, обычно обосновы- обосновывается 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- перебрать все натуральные числа? Разумеется, нет, так как этих чисел бесконечно много. Аксиома индукции IV и служит как раз формаль- формальным 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 \ и в предположении, что она верна для числа п, доказана для следующего числа п 1), то эта теорема верна для любого числа п. Доказательство. Пусть М есть множество тех натураль- натуральных чисел, для которых верна рассматриваемая теорема Т. Тогда А) число 1 входит в М, так как для 1 теорема Т доказана; Б) пусть число п принадлежит М; это значит, для числа п тео- теорема Т верна. Но в таком случае теорема Т доказана, т. е. также верна и для следующего числа п, а это значит, что число п' также принадлежит М. Итак, множество М обладает свойствами А) и Б) аксиомы IV. В силу этой аксиомы оно должно содержать все на- натуральные числа, что означает (по самому определению множества М), что теорема Т верна для любого натурального числа п. Этим тео- теорема 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 Ь. Согласно аксиоме I число 1 не имеет предшествующего. Но это—единственное число с таким свойством. Теорема 2. Любое число аф\ 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 М, Б) если а принадлежит М, то и а' также принадлежит М, ибо а' имеет предшествующее число а (предполо- (предположение, что а принадлежит М, здесь даже излишне). По аксиоме IV М содержит все числа. Значит, любое число аф\ имеет по край- крайней 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- числами, различны, то и данные числа различны, т. е. из а' ф Ъ' сле- следует афЬ. 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 афЬ следует а' ф Ь'. Доказательство. По аксиоме III из а' — b' следует а = Ь. Теорема 5. Любое число отлично от следующего за ним числа, т. е. аф а' для любого а. Доказательство. Пусть М — множество чисел, для которых теорема верна. А) По аксиоме I Г ф 1. Следовательно, 1 принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то а! ф а. Значит, по теореме 4 также (а1)' ф а', т. е. а' принадлежит М. По аксиоме IV М содер- содержит все числа, т. е. а ф 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 a -j- b, обладающее следующими свойствами: 1) a -f-1 = а' для любого а, 2) а -\- Ь' = (а -)- Ь)' для любых а и Ь. 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 х) 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 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ выбрано определённое число а. Тогда условия 1) и 2) определяют число а -\- 1 и число а -\- Ъ', если уже определено число а -(- Ъ. Поэтому на основании аксиомы индукции IV можно, казалось бы, считать число а-\-Ъ определённым для любого Ь, а так как а выби- выбиралось произвольно, то и для любых а и Ь. Так полагали автор аксиоматики натуральных чисел Пеано и его ученики. Такое изло- изложение 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 п-\-1», что соответствует условной форме свойства Б). Попробуем теперь выяснить, к какому множеству М надо при- применить 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- которых 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- сопоставляющее с числом Ъ 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- определяют число a -j- b, но отнюдь не ошибочность самого этого утверж- утверждения. Индуктивные определения законны, что можно доказать, опи- опираясь только на понятие о порядке натуральных чисел (см. § 15). Понятие же порядка будет нами введено (см. § 14) на основе сло- сложения. Таким образом, вопрос о существовании сложения прихо- приходится решать иным путём. Теорема 1. Сложение натуральных чисел существует и притом только одно, т. е. 'существует одно и только одно соот-
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 137 ветствпе, сопоставляющее с любыми числами а и Ь число a-f-b так, что 1) а-\-1=а' для любого а, 2) а -f- Ъ' = (а -(- Ь)' для любых а и Ь. Иными словами, сложе- сложение всегда выполнимо и однозначно. Доказательство, а) Сначала докажем, что при данном а существует не более чем одно соответствие, сопоставляющее с каж- каждым числом b число хь и обладающее свойствами: хх = а!, лг(,'=(лг6)' для любого Ь. Пусть уь — любое соответствие с теми же свойствами, т. е. у1 — а, уь> = (Уь)' для любого Ъ. Пусть М — множество тех чисел Ь, для которых хь=у„. А) дг, = а'=_у1; 1 принадлежит М. Б) Если b принадлежит М, то х„=уь, значит, по аксиоме II (х„)' = (уьу, следовательно, хь< =(хьУ =(УьУ ~Уь>, т. е. Ь' принад- принадлежит М. По аксиоме IV М содержит все натуральные числа, т. е. хь=уь для любого Ь. Единственность сложения доказана при дан- данном 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 a-f-b и обладающее свойствами: а 4-1= 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 a-j-b = b'. Это соот- соответствие обладает нужными свойствами, так как Значит, 1 принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то число a-f-b определено и обладает свойствами: а-\-1=а\ a -J- Ь' = (а -\- Ь)'. Числу b поставим в соот- соответствие число a' -f-b = (a-\- b)'. Это соответствие обладает нужными свойствами для а', так как а' + 1 = (а + 1)' = (а')\ al-\-V = {a + b')' = [(а + b)']' = (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 a-f-b и обладающее свойствами fl+l=fl', a-f-b' = (a-f-b)' для данного а и любого Ь. Но число а является произвольным. Следовательно, доказано существование и единственность соответ- соответствия, сопоставляющего с любыми а и b число a-f-b n обладающее свойствами 1) и 2). Теорема доказана. Теорема 2. (Закон ассоциативности сложения.)
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. А) ( 1 принадлежит М. Б) Если с принадлежит М, то (а-\-Ь)-\-с = = a -j- (b -j- с), откуда т. е. с' принадлежит Ж. По аксиоме IV равенство (а-\-Ь)-\-с — = а -\- (Ь -[- с) справедливо для любых a, b и с. Теорема 3. (Закон коммутативности сложения.) Доказательство, а) Докажем, что а-\- 1 = 1 -\-а индукцией по а. Пусть М — множество тех а, для которых это верно. А) 1, очевидно, принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то а -\-1 = = 1 -\- а. Тогда я'+1 =(<*+1)+1 =A+а)+1 =A+а)' = 1+а', т. е. а принадлежит М. По аксиоме IV доказано, что а -\- 1 = 1 -\- а. б) Докажем индукцией по Ь, что a-\-b = b-\-a. 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\- а. Тогда, используя теорему 2, находим: т. е. Ь' принадлежит М. По аксиоме IV теорема доказана. Теорема 4. + фЬ. Доказательство. Теорема верна для Ь=\, ибо а-\-\ = = a' yt 1 по аксиоме I. Если а -\- Ъ ф Ь, то по теореме 4 из § 11 также Теорема 5. Для любых чисел а и Ъ 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 b = a-\-l. 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 тшеть места одновременно. Если бы имели место 2) и 3), то
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 Ъ, для каждого из которых при данном а имеет место 1), 2) или 3). А) Если а=1, то имеем случай 1) для Ь — 1. Если а ф 1, то по теореме 2 из § 11 a = k' —k-\- I = 1 -\~k, т. е. имеем случай 2) для Ь = \. Итак, 1 принадлежит М. Б) Пусть Ъ принадлежит М. Тогда или а = Ь, и следовательно, b' = b-\-l=a-^~l, т. е. случай 3) для Ь'\ или a = b-\-k, и если k=l, то а = #-1-1=#', т. е. случай 1) для Ь'\ если же k ф 1, то k = m' и а= Ъ -f m' = b -f (m -f 1) = b -j- A -f m) = (b -f-1) -j- m = V -f m, т. е. случай 2) для b'; или #=a-[-/ и т. е. случай 3) для Ь'. Во всех случаях Ь' принадлежит М. Теорема доказана. Пользуясь этой теоремой, можно было бы уже теперь дать опре- определение 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 1+1=2, l-j-2 = 3, 2-f2 = 4, 2-}-3 = 5, 2-\-А = Ъ-\-Ъ = Ъ. § 13. Умножение Определение. Умножением натуральных чисел называется такое соответствие, которое с каждой парой натуральных чисел а и b сопоставляет одно и только одно натуральное число ab (или а • b или а X Ь), обладающее следующими свойствами: 1) а • 1 =а для любого а; 2) ab' = ab -\-а для любых а и Ъ. Число а называется множимым, b — множителем, оба числа а и b называются также сомножителями, а число ab — произ- произведением. На первый взгляд может показаться странным, зачем давать это индуктивное определение, вместо того чтобы остаться при всем известном школьном определении произведения ab как суммы b слагаемых, каждое из которых равно множимому а. Но что означает выражение «й слагаемых», где b выступает в роли количествен- количественного числительного? Количество слагаемых имеет лишь один точный смысл, именно, — это мощность некоторого множества
140 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВ \, ГРУППЫ. КОЛЬЦА И ПОЛЯ (см. § 3, определение 4). Правда, для конечных множеств (с кото- которыми 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,я| натурального ряда как множества натуральных чисел, не превосходящих п. Это понятие предполагает уже установлен- установленным 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- порядковыми числами в отличие от мощностей, называемых количествен- количественными числами. Для того чтобы теория натуральных чисел не осталась пустой логической игрой, а стала тем основным орудием практической дея- деятельности человека, которым она на самом деле является, необхо- необходимо установить соответствие между мощностями конечных множеств и независимо от них . построенными порядковыми натуральными числами, придав им тем самым количественный смысл. В этом и состоит значение определения 3 и теоремы 2, на которой оно осно- основано, приведённых в § 4. Относительно определения умножения сохраняют силу все заме- замечания, которые были сделаны в предыдущем параграфе по поводу определения сложения. В частности, из него ещё неясно, что соот- соответствие с этими свойствами существует. Поэтому большое прин- принципиальное значение имеет следующая теорема, аналогичная теоре- теореме 1 из § . 12. Теорема 1. Умножение натуральных чисел существует и притом только одно. Иными словами, умножение всегда выпол- выполнимо и однозначно. Доказательство, а) Сначала докажем, что при данном а существует не более чем одно соответствие, сопоставляющее с каж- каждым числом b число хь и обладающее свойствами хх = а, х& =хь -\-а для любого Ъ. Пусть уь — любое соответствие с теми же свой- свойствами и М — множество тех Ъ, для которых хь=^уь. A) Xi=a=y{; 1 принадлежит М. Б) Если Ъ принадлежит М, то Хь< =хь-\-а=^уь-^-а=у1?; Ь' принадлежит М. По аксиоме IV хь=уь для любого Ъ. Единственность умножения доказана при данном а, а по произвольности а она доказана для любых а и Ъ. 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-\-a для любого b (при
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 141 данном а). ГЬсгь 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- соответствие обладает нужными свойствами, так как а-1 = 1=а, ab' = b' = b-\-l=ab-{-a; 1 принадлежит М. Б) Если а принадлежит М, то любому b соответствует ab, при- причём а • 1 = a, ab' = ab-\-a. Для а' строим такое соответствие: числу b соответствует число а' • b = ab -\-b. Оно обладает нужными свойствами, так как а' ¦ l=a- l-f-l=a-f-l=a', a' ¦b'z=ab' + b' = (ab-\-a)-{-b' = ab-\-(a-]rb') = ab-\-( = ab-f (*-\-а)' = ab + (* + a') = (ab + *) + a' = a' ¦ b а принадлежит М. Соответствие с нужными свойствами построе- построено при любом а для каждого Ь, т. е. для любых а и Ь. Теорема доказана. Теорема 2. (Правый закон дистрибутивности.) (а -|- Ь) с = ас -\- be. Доказательство. Для данных а и b применим индукцию по с. А) {а-\-Ь) • 1 =а-\-Ь = а • 1 -\-Ь • 1. Дляс=1 теорема верна. Б) Если теорема верна для с, то (а -\- Ь) с = ас -\- be. Используя ассоциативность и коммутативность сложения, находим: = (ас + а) + (be + *) = а т. е. теорема верна и для с'. По аксиоме IV теорема доказана. Теорема 3. (Закон коммутативности умножения.) ab = ba. Доказательство, а) Индукцией по b докажем теорему при а=1, т. е. 1 •b = b- 1; М — множество b с этим свойством. А) 1 принадлежит М. Б) Если 1 • b = b • 1, то 1 .Ь'=\ -b-\-b = b- l-\-l=b-\-l=b' = b' • 1; b' принадлежит М. б) Индукцией по а докажем, что ab — ba при данном b; M множество а с ab = ba. А) Согласно а) 1 принадлежит /И.
142 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Б) Если а принадлежит М, то ab = ba. Тогда, используя пре- предыдущую теорему, найдём: a'-b=(u-{-l)b = ab-{-l -b = ba-\-b- l=ba-\-b = ba'; а' принадлежит М. Теорема 4. (Левый закон дистрибутивности.) с (а -\- Ь) = са -j- cb. Доказательство следует из теорем 2 и 3. Теорема 5. (Закон ассоциативности умножения.) (ab) с — a {be). Доказательство. Пусть даны а и b; M — множество тех с, для которых равенство имеет место. A) (ab) ¦ 1 =ab = a{b • 1); 1 принадлежит М. Б) Если с принадлежит М, то (ab) c = a {be). Тогда, используя теорему 4, найдём: {ab) с! = {ab) c-\-ab = a (be) -\-ab = a(bc-\-b) = a (be1); с' принадлежит М. Теорема доказана. Задача. Определив попрежнему 2 = Г, 3 = 2', 4 — 3', ..., до- доказать равенство 2-2 = 4, 3-2 = 6. § 14. Порядок При определении натуральных чисел (§ 11, определение 1) мы исходили из одного основного отношения «? следует за а». Уже сам выбор слова «следует» указывает на связь этого основного от- отношения 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- связывает 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: a^>b, b<^a. Если а^>Ь или а — b, то пишут: а^Ь. Если а<^Ь или а = Ь, то пишут: а-^Ь. Теорема 1. а) Для любых чисел a, b имеет место одно и только одно из трёх соотношений: а = Ь, а~^>Ь, Ь~^>а. б) Из а^>Ь, Ь^>с следует а~^>с. Иными словами, множество Аг нату- натуральных чисел с только что определённым отношением «больше» являетея* упорядоченным множеством в смысле опре'деления 1 § 5
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 143 (то, что в § 5 основное отношение обозначалось знаком <^, значе- значения не имеет). Д о каз а т ел ь с тв о.• Утверждение а) является лишь перефра- перефразировкой теоремы 5 из § 12. Утверждение б) доказывается так: если a^>b, Ь~^>с, то a = b-\-k, b = c-{-l, откуда т. е. 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- умножения, 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- приходится доказывать заново. Теорема 2. (Законы монотонности сложения и умножения.) Из а) а ^ b следует соответственно б) а-{-с^Ь -\-с, в) ас^Ьс. Доказательство. 1) Пусть а^>Ь. Тогда a = b-\-k, откуда a -f- с^> b -f- с, а также ас = (Ь -}- к) с = be -j- kc ^> be. 2) Пусть a = b. Тогда по однозначности сложения и умножения также а-\-с — Ь-\-с и ас = Ьс. 3) Пусть а<^Ь, тогда Ь^>а, и по доказанному в 1) Ь-\-с^>а-\-с, Ьс^>ас, откуда a-\-c<^b^\-c, ac<^bc. Справедливы утверждения, обратные теореме 2. Теорема 3. Из а-\-с^Ь-\-с или из ас^Ьс следует соот- соответственно 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- теоремы 4 из § 10 получаются известные правила оперирования с не- неравенствами: Теорема 4. Из а^Ь, с^Л следует соответственно a~\-c^b-\-d, ac^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 ф 1, то по теореме 2 (§ 11) й' 6+1>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 b 7^1 ввиду теорем 2 и 4 следует Ьс^>а- 1=а. Теорема 7. При установленном порядке натуральных чисел числа а и а-\-\ являются соседними (§ 5), т. е. не существует числа b такого, что а~\-1~^>Ь^>а и, значит, из Ь~^>а следует Ь^а-\-\ и из Ь<^а-\-\ следует Ь^а. Доказательство. Если Ь^>а, то b = a-\-k. По теореме 5 ASsl. По теореме 2 a-\-k^a-\-\, т. е. Ь^а-{-\. По теореме 1 этим исключается соотношение а-\-1^>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- которые 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- принадлежит М. Поэтому множество М 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 М, 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-\-1 принадлежит М, что противоречит выбору числа а. На этой теореме основана вторая форма индуктивного доказа- доказательства. 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- теореме 8 множество М содержит наименьшее число п. Раз п принад- принадлежит М, то для п теорема Т неверна и и^>1. Но п — наимень- наименьшее число М, стало быть теорема Т верна для всех чисел, мень- меньших 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^k, и для /теорема Г неверна. Поэтому l~^> 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 = I, причём n^k, ибо если n<^k, то по теореме 7 1 = П-\-\ е?/г. Из 1 = п-\-1 следует п<^1. Поэтому п не принадлежит множе- множеству А, т. е. для п теорема Т верна. Но тогда она верна и для числа л —|— 1 =^/. Полученное противоречие доказывает нашу теорему. Аналогичное видоизменение допускает и вторая форма индуктив- индуктивного доказательства (г. е. теорема 9), а именно: Теорема 11. Если некоторая теорема Т, касающаяся нату- натурального 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 n^k. Доказательство аналогично доказательству теоремы 10 и предо- предоставляется читателю. Справедливо ещё следующее положение, дополняющее тео- теорему 8: Теорема 12. Любое непустое и ограниченное сверху множе- множество 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 нагуральных чисел, не меньших чем числа множества А. Так как А ограни- ограничено сверху, то В непусто. По теореме 8 В содержит наи- наименьшее 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 Ъ не принадлежит А, то Ь^>а для любого а из А. По теореме 7 тогда b—l^a для лю- любого а из А. Таким образом, число b — 1 принадлежит В и b — 1<^Ь, что противоречит выбору числа Ь. § 15. Индуктивные определения. Сумма и произведение нескольких чисел С индуктивными определениями мы уже имели дело при опре- определении сложения и умножения. В обоих случаях при выборе определенного 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 f(l) = a', в случае умножения/A) = а]; 2) дано рекуррентное соотношение, однозначно определяющее зна- значение функции для любого числа, отличного от 1, через её значе- значение для предыдущего числа (в случае сложения f(b)' = [f{b)]', 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/(й) с указанными свойствами 1) и 2). Однако существование и един- единственность 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- построением) функции f{a) на множестве натуральных чисел называется её определение по следующим двум свойствам: 1) задано значение функции /A) = х% для числа 1; 2) значение функции f (а) для натурального числа а ^> 1 одно- однозначно выражено через её значения f(b) для натуральных чисел ^а при помощи данной системы S рекуррентных соотношений. Отметим, что значения определяемой индуктивно функции /(а) вовсе не обязательно должны быть натуральными числами. Они мо- могут быть элементами некоторого кольца или вообще некоторого множества Л, причём между его элементами определены отношения, при которых имеют смысл рекуррентные соотношения системы 5. Что индуктивное определение действительно определяет (и при- притом однозначно) функцию f(a), показывает следующая: Теорема 1. (Теорема о законности индуктивного определения.) При данной системе S рекуррентных соотно- соотношений 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 Ь<^а) множества А одно- однозначно определяет элемент ха того же множества А'). Тогда существует одна и только одна функция fn(a), задан- заданная на отрезке*) 11, п\, значения которой принадлежат множе- *) При этом для О я рекуррентные соотношения могут вообще не задаваться. s) Отрезком натуралыюго ряда (согласно определению 1 из § 4) назы- называется множество 11, п\ натуральных чисел ~—-"
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 147 ству А и которая обладает свойствами: 1) f(l) = xit 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, /A)=х1 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- условия а), б), в) леммы выполнены для числа л —f— 1. Тогда эти усло- условия выполняются также и для числа п [при той же системе 5 ре- рекуррентных соотношений в пункте в) и том же х, в б)]. Стало быть, существует одна и только одна функция fn(a), заданная на отрезке | 1, п | и обладающая свойствами 1) и 2„). Мы строим тогда функцию /п+1 (а) следующим образом: для любого а г? я полагаем: /n+i (a) ==fn (G)- Значение же /n+i(«-f-l) определяем по значениям /n+i (а) для а<^п-\-\ из рекуррентных соотношений данной си- системы 5, что возможно, так как условие в) выполнено для числа л —{— 1. Тогда функция /п+1 (а) задана на отрезке 11, лг —|— 1 j и обла- обладает свойствами 1) и 2п+1). Если g(a)— любая функция, заданная на отрезке 11, л-|-1| и обладающая свойствами 1) и 2п+1), то эта функция g (а) задана также на отрезке 11, п | и обладает свойствами 1) и 2„). В силу единственности такой функции (для п лемма верна) должно быть: g(a)=fn(a) для а=?л. Но g(a) обладает свойством 2п+1). Следовательно, значение g(n-\-l) однозначно определяется значениями g (а) для а г? п -\- 1. Но для а <^ п -J- 1, т. е. а^п, g(a)=fn(a)=fMi(a). Поэтому также g(n -\- 1)=/п+1 (п-\-1). Итак, на всём отрезке | 1, п -f-1| функция g{a) совпадает с fn+1(a), чем доказана един- единственность функции /п+1 (а). Лемма доказана для числа /г —(— 1; п-\-\ принадлежит множеству М. По аксиоме IV М содержит все нату- натуральные числа, т. е. лемма верна для любого натурального числа п. Доказательство теоремы 1. Условия 1) в определении 1 и лемме совпадают. Из условия 2) определения 1 следует, что условие в) леммы выполнено при любом к^>1. Согласно лемме для любого п существует одна и только одна функция fn{a), за- заданная на отрезке |1, п\ и обладающая свойствами 1) и 2„). Если т<^п, то функция /„(а) задана на отрезке | 1, /га | как части от- отрезка 11, п\ и обладает свойствами 1) и 2„), а стало быть и свой- свойством 2т). По единственности такой функции /„(a)=/ffl(a) для а^т. Итак, все функции fn(a), определённые для числа а (т. е. при п^а), имеют для этого а одно и то же. значение. Значение всех fn(a) при п^а и примем за значение f(a) искомой функции для числа а; /A) совпадает с /„A), а так как/„(а) обладает свой- свойством 1), то f(a) обладает свойством 1). Если а^>1 и п^а, то ю*
148 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ f(a)=fn(a) и /(а) также удовлетворяет рекуррентным соотноше- соотношениям, 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 | I, п\ и обла- обладает 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- требуемыми свойствами, доказана. На доказанной выше лемме основано введение понятий суммы и произведения нескольких натуральных чисел. Определение 2. Пусть даны натуральные числа') аи а.2, , ап, где п ¦— также натуральное число2). Суммой этих чисел называется число, которое обозначается через и определяется условиями 1 i I* V. / I; =1 »=I для любого числа k<^n. Произведением этих чисел называется число, которое обозна- обозначается через (Х\ (Ха • • • Q. = и определяется условиями 1 = а„ C) ft + I ца,=(П«.)«. 1! -= I j для любого числа а) Это определение и все результаты дашюго параграфа дословно пере- переносятся на любые кольца и вообще на любые множества, в которых опре- определены операции сложения и умножения, подчинённые законам коммута- коммутативности и ассоциативности. s) Строго говоря, на отрезке | 1, п\ задана функция /(Ь)^аь.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 149 Условия A) и C) определяют значения данных функ- функции числа k для k=\, а условия B) и D) играют роль ре- рекуррентных соотношений в пункте в) леммы. По лемме ft ft существуют единственные функции ^ аг и I I ait заданные на от- отрезке ]1, п\ и обладающие соответственно свойствами A), B) и C), D). Поэтому определение 2 имеет точный смысл. Замечание. До сих пор при построении арифметики нату- натуральных чисел (начиная с § 11) мы нигде не пользовались теоре- теоремами 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- дальнейшем построении теории натуральных чисел опираться на факты из первых двух глав. В частности, верны основные свойства суммы и произведения [см. § 6, A), B)]: т п т+п т п т+п '"II т+' — п п п п п п V {а, + bt) = V а. + V ЬС, Л (flА) = П G' 11 *'• F) t=l i = I i = l i=I i = l i = l При совпадающих слагаемых или сомножителях сумма и произ- произведение по определению дают кратное и соответственно степень натурального числа а. Для них верны обычные правила оперирова- ния [см. § 6, C) —(8)]. Итак, определением кратного и степени числа служат равенства ап = Но обозначение an в G) имело уже раньше другой смысл. Так обозначалось произведение натуральных чисел а и п. Нужно доказать, что оба истолкования записи an совпадают. Когда это будет доказано, то, придав натуральному числу п количественное значение (как мощности множества), мы придём к школьному опре- определению произведения an как суммы п слагаемых, равных а.
150 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Аналогично можно придти к определению степени ап как произ- произведения п сомножителей, равных а. Итак, докажем теорему: Теорема 2. Для любых натуральных чисел а и п справед- справедливо равенство п ап= ^ а, (9) где an означает произведение чисел а и п (в смысле определе- определения из § 13). В частности, т. е. любое натуральное число п равно сумме п единиц. Доказательство. Для п=\ согласно свойству 1) опреде- определения из § 13 и свойству A) суммы имеем: а • 1 = а = 2 Если ап= 2_, а> то п0 свойству 2) определения § 13 и свой- свойству B) суммы имеем: п п+1 а(п-\-1) = ап + а = ^а+а= ^ а. По аксиоме IV теорема доказана. § 16. Вычитание и деление Основные вопросы арифметики натуральных чисел, обоснование которых содержит трудности, связанные с аксиоматическим построе- построением, нами уже изложены. Остановимся ещё на свойствах обратных операций. Определение 1. Вычитанием натуральных чисел назы- называется действие, обратное сложению, т. е. соответствие, кото- которое с числами а и Ь сопоставляет число а — Ъ (называемое разно- разностью а и Ь) такое, что = а. A) Отсюда в связи с определением и теоремой 3 из § 14 находим: Теорема 1. Разность % — b существует тогда и только тогда, когда а^>Ь. Если разность существует, то она един- единственна.
НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА 151 Из A), далее, имеем: а — Ь<а. B) Здесь и ниже предполагается (если нет других указаний), что все встречающиеся разности существуют. Справедливо равенство (a — b)c = ac — bc, C) ибо (а — Ь) с -\- be = ас. Далее из A) и C) следует а) а — Ъ = с — d D) тогда и только тогда, когда а-\-й — Ь-\^ с; б) (a-b)-\-{c-d) = (a + c)-(b-\-d); в) (а — Ь) — (с — d) = {a-\-d) — (fe + c); г) (а — 6) (с — d) = (ac-\-bd) — (ad^-bc). Теорема 2. Из а) Ь^с 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) c^zb, b^zc. Таким образом из а) следует б). < Определение 2. Делением называется действие, обратное умножению, т. е. соответственно сопоставляющее с числами а и b число -j- = a:b (называемое частным а и Ь) такое, что аь-Ь = а. E) Из 1=s b следует: a =s ab, F) причём знак = имеет место лишь для b=l. Отсюда и из E) со знаком = лишь при 6=1. Как и в случае вычитания, здесь и ниже предполагается, что все написанные частные существуют. Теорема 3. Из а) Ь^с следует соответственно б)-г-^ — , и обратно. с
152 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КЩКЦЛ И ПОЛЯ Доказательство аналогично данному для теоремы 2. Для частных справедливы правила сравнения и оперирования. а) тогда и только тогда, б) в) 0 а ~Ъ = с когда ad = bc; а с b — d- а с Ь " d ~ а _ с _ v d ad ± be ~ bd ас _ 0.1 (8) Доказываются они на основе теоремы 3 из § 14 дословно кзк 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 F) и теоремы 3 § 14 находим: Теорема 4. Для того чтобы существовало частное -=-, не- необходимо (но, как сейчас увидим, недостаточно), чтобы было а^Ь. Если частное существует, то оно единственно. Что из a^zb ещё не следует существования частного -=-, пока- показывают простые примеры. Так, определяя числа 2=1', 3 = 2', 4 = 3', убеждаемся, что не существует а, для которого 1а =3. Из F) должно быть а<^3, т. е. или а=\, 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- составляющих так называемую теорию делимости'). § 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- приходится решать три основных вопроса (правда, неодинаковой труд- трудности 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- теория 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- геометрии. 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- другой стороны, имеется другая аксиоматическая теория — поле дей- действительных чисел. В аналитической геометрии устанавливается, что точкам плоскости соответствуют пары чисел (координаты точки), а прямым — уравнения (уравнения прямых). Отношениям между точ- точками и прямыми соответствуют известные числовые отношения этих пар и уравнений, причём аксиомам геометрии соответствуют пред- предложения (теоремы), которые можно доказать на основе аксиом и свойств чисел. Таким образом, одна аксиоматическая теория (геоме- (геометрия плоскости) включается как часть в другую (теорию действитель- действительного 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- исключающих предложения). Если аксиоматика чисел непротиворечива, то то же верно и для аксиоматики геометрии. В этом смысле непро- непротиворечивость аксиом геометрии доказана. Представление одной аксиоматической теории при помощи понятий другой теории, разобранное нами на примере плоской гео- геометрии и арифметики, применяется в математике весьма часто и не только для сведения непротиворечивости одной теории к непротиво- непротиворечивости другой. Поэтому мы дадим для него следующее опреде- определение: Определение 1. Любое множество, для элементов кото- которого определены основные отношения и выполнены, аксиомы дан- данной 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- формально-логическими средствами, а многовековой практикой челове- человечества, 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, КОЧЬЦА 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- однозначно 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- существуют 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 TVj и 7V2 — две интерпретации этой системы. Числа в этих интерпретациях будем отличать индексами 1 и 2. Строим по индук- индукции (§ 15, определение 1) функцию /(-fj), заданную на всём мно- множестве Nu значение которой принадлежит 7V2, и такую, что 1)/Oi)=l» 2) f(a[)=[f(a1)]'. По теореме 1 из § 15 такая функция существует и только одна. Покажем, что соответствие f(a1) = a$ является изоморфизмом А?! и N%. Если uj ф lj, то а1=Ь[ и Итак, 12 имеет единственный прообраз в Nlt именно 1|. Пусть а2 имеет единственный прообраз av Тогда /«)= [/(«,)]' = <• Стало быть, а'2 имеет хотя бы один прообраз. Если fej — любой прообраз для а'а, то по 1) fej ф 1„ т. е. Ь1 = с[, и По аксиоме III следует: a2=/(ci)> а так как а1 — единственный прообраз а2, то cl = at и по аксиоме II bt = c't = a[. Следовательно, а[ — единственный прообраз для а'2. По аксиоме индукции IV любой элемент в N% имеет один и только один прообраз в Л^. Соответ- Соответствие /(ai) = a2 взаимно однозначно. Из 2) следует, что отобра- отображение /(а,) = а2. Ni на ^а сохраняет основное отношение «следует». Остаётся доказать это для обратного отображения /~I(aa) = ai- Но из f(a[)— [f(a1)]' = a't следует f~l (a'2) = а\, т. е. и обратное отображение сохраняет отно- отношение «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- пользоваться 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- теории желательно достичь минимального числа положений, принимае- принимаемых за аксиомы. Если, например, одна из аксиом в действитель- действительности 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- интерпретация 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 М, содержащих единицу, вообще не существует, ибо не существует числа единицы. Поэтому для доказательства независимости аксиомы I о г остальных аксиом мы несколько видоизменим формулировку аксиомы IV, заме- заменив её следующей: IV. Любое непустое множество М натуральных чисел, обла- обладающее 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- непротиворечива 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, Ъ' = с, с' = а. ') Можно взять любое конечное множество с числом элементов; 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 ^ЬО и, например, ЫМ, то по 2) также' Ь' = с^М и с' = а^М, M = 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- элемента. Прочие аксиомы выполнены. 3. Независимость аксиомы III. Пусть N—множество четырёх элементов а, Ь, с, d, причём а' = Ь, Ь' = с, c' = 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 -\- -к- с любым целым п, причем для натуральных чисел отношение «следует» имеет прежний смысл и Аксиома IV не выполнена. В самом деле, роль единицы играет само число 1 (только оно не следует ни за каким другим). Множе- Множество М всех натуральных чисел обладает сзойствами А') и Б) [или А) и Б) при аксиоме IV], но не содержит всех элементов множе- множества N. Таким образом, система аксиом I —III, IV натуральных чисел не- независима.
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- пользовались как натуральными, так и дробными положительными числами, но не знали отрицательных чисел. Употребление положительных и отрицательных чисел (толкуемых как «имущество» и «долг») впер- впервые 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- признавали отрицательных чисел. Так, французский математик Виет A540—1603) при выводе соотношений между корнями и коэффи- коэффициентами 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- задачами 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- множества. Мы последовательно определим целые,, рациональные, дей- действительные и комплексные числа. Каждое из перечисленных число- числовых множеств содержит предыдущее. При этом мы стремимся по- построить расширение, обладающее известными свойствами по отно- отношению 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- элементов множества А определены гакже и для элементов множества В,
158 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ причём их смысл для элементов А, рассматриваемых уже как эле- элементы В, должен совпадать с тем, какой они имели в Л до рас- расширения. Ъ) В В должна быть выполнима операция, которая в А была невыполнима или не всегда выполнима. Это требование служит основной целью, для достижения кото- которой строится расширение. Разберём его на примерах. Для натураль- натуральных чисел не всегда выполнимо вычитание. В области целых чисел оно всегда выполнимо. Для целых чисел не всегда выполнимо деле- деление. 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- выполнима 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- расширений 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- натуральные), 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- называемых теперь положительными, а величины другого, противополож- противоположного 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- положительные 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- школьным правилам и доказать (путём проверки всех случаев) справед- справедливость 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- которые 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 — Ъ 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- рациональных 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- желаемому расширению В для области А, а лишь к области В', изоморф- изоморфной 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 = Ь 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 = Ь 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 ?ы 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 слеоующими свойствами: 1) аг^а, 2) если а^Ь, то Ь<-~> а, 3) если а-~^Ь и b «~ 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- непересекающиеся подмножества можно так определить отношения экви- эквивалентности, что данное разбиение М будет разбиением на классы эквивалентных элементов. Доказательство, а) Пусть дано отношение эквивалентности. Для каждого а?М обозначим через Ма множество всех элементов х, для которых хг^а. Из 1) следует, что а^Ма, т. е. любой элемент множества М принадлежит некоторому из этих подмно- подмножеств. Пусть ЫМа и с?Ма- Тогда b<~а, с-~а; по 2) также а^с и по 3) Ь<-^ с. Следовательно, два элемента из Ма эквивалентны. Если ar^b, то Ма = Мь. В самом деле, если с?Ма, то с~^>а, а^Ь и по 3) с-^Ь, т. е. сбЖь. Если же с?Мь, то с r^b и а <-^&; по 2) fc~a и по 3) с<^а, т. е. с?Ма. Отсюда также имеем: если ЫМа, то Мь — Ма, т. е. все элементы множества Ма равноправны при определении этого множества. Если множества Ма и Мь 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- неэквивалентны. б) Пусть дано разбиение множества М на непересекающиеся мно- множества. Определим отношение эквивалентности элементов М так: а^Ь, если а и Ъ принадлежат одному и тому же множеству дан- данного разбиения. Очевидно, что тогда разбиение на классы эквива- эквивалентных элементов и будет данным разбиением. Доказанная теорема найдет в будущем неоднократное примене- применение, позволяя опускать приведённое рассуждение в каждом кон- конкретном 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- минимальное из таких расширений в смысле следующего определения: Определение 1. Кольцом ц:лых чисел называется мини- минимальное 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 этими числами в кольце С; 4) кольцо С не содержит отлачного от него подкольца, содержа- содержащего 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- существовании кольца целых чисел, покажем, что если оно существует, то будет единственным с точностью до изоморфизма. Теорема 1. Кольцо С, содержащее множество N натураль- натуральных чисел1), 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 — b~c — d тогда и только тогда, когда а -{- d = b -{- с; б) (а — Ъ\-\-(г. — 1Г\ = (п-1-гЛ — (h-L-H\- О) г) (а — Ь) (с — d) = (ас -\- bd) — (ad -\- be). Пусть R — множество всех элементов С, каждый из которых равен разности натуральных чисел. Из A) следует, что сумма, раз- разность и произведение двух элементов множества R снова принад- принадлежат 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, /? = Св силу ми- минимальности С. Это значит, что любое целое число равно разности натуральных чисел. Теорема 2. Все минимальные кольца, содержащие натураль- натуральные числа, изоморфны, т. е. кольцо целых чисел единственно с точностью до изоморфизма. Пусть Q и С2 — два таких кольца. По предыдущей теореме любой элемент в Q и С2 равен разности натуральных чисел. Строим такое отображение / кольца Ct на С2: если с1(:С1 и сх — а — b в С,, где а и b ¦— натуральные числа, то в С2 будет: а — b = c2 2). *) Здесь и ниже, говоря, что кольцо содержит натуральные числа или что одно кольцо содержит другое, мы всегда будем подразумевать, что опе- операции в подмножестве совпадают с соответствующими операциями в над- надмножестве. 2) Из с, = а — Ъ и с2 = а — Ъ не следует с, = са, так как вычитание в d и С2 может иметь разный смысл. Конечно, Cj = с2 при а>Ь, так как тогда а — Ъ существует в N и по совпадению операций с, и с2 равны одному и тому же натуральному числу а — Ь. I Энциклопедия, кн. 1.
162 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Тогда положим f(cl) = cii; с2 не зависит от выбора чисел а и Ь. В самом деле, если также с, = с — d, то а — Ь = с— d и по A) а -|- d = b -\- с, следовательно, и в С2 также а — b = c — d. Если cl^d1, то по A) также /(C|)^/(^i). Любой элемент с, 6 Cj равен разности натуральных чисел и то же верно для С2. Итак, /—вза- /—взаимно однозначное отображение Q на С2. Из б), г) следует, что = /(*,)+/(<*,) « /(Ml)=/( для любых с,, d, из Cj, т. е. /—изоморфизм колец С, и С2 (§ 9, определение 2). Рассмотрим, например, первое из этих равенств. Если в Су имеем: cl = a — Ъ, d^ = c — d, то в С2 будет: f(cl) = a — b, откуда ) = (а — &) + (с — <9 = (а + О - но в т. е. элементы c1-\-dl?Cl и /(с,)-|-/(??i) 6 С2 равны разности одних и тех же натуральных чисел а-\-с и b-\-d. Это следует из определения / и, таким образом, /(с,-W,)=/(c Аналогично доказывается и второе соотношение. Теорема доказана. Замечание. Изоморфное отображение / обладает ещё тем свойством, что на множестве N оно является тождественным, т. е. при этом отображении Q на Cs каждое натуральное число отобра- отображается само на себя. В самом деле, при Ci = а — b в Q ис2 = а — b в С2 элементы С| и с2 тогда и только тогда будут сами натураль- натуральными числами, когда а^>Ь. При этом с2=/(С|) = а — b = ct. Теорема 3. Любое кольцо /?, содержащее множество нату- натуральных чисел N, содержат и кольцо целых чисел. Доказательство. Пересечение всех подколец кольца R, содержащих VV, есть опять подкольио (§ 8, теорема 6), содержа- содержащее 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- подсказывается теоремой 1. Если С—кольцо целых чисел, то элемен- элементами 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 A)
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- обозначение а — b за операцией вычитания в искомом кольце. За исходный элемент конструкции примем пару a, b натураль- натуральных 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 A) определяем эквивалентность так: {a, b)~{c, d), B) 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- умножение разностей чисел, образующих данные пары. Согласно б), г) мы поэтому определяем: {a, b) + {c, d) = {a-\-c, b-\-d), C) {a, b){c, d) = {ac-\-bd, ad + bc). D) Теорема 4. Сложение и умножение пар коммутативны, ассоциативны и связаны законом дистрибутивности. Доказательство. Эти свойства вытекают из соответствую- соответствующих свойств натуральных чисел и доказываются непосредственной проверкой. Докажем, например, ассоциативность умножения: [(a, b){c, d)](e,/) = (ac-{-bd, ad-{-bc){e, f) = — {асе -\- bde -\- adf -|- bcf, acf-\- bdf -\- ade -\- bee); {a, b) [{c, d) {e, /)] = {a, b) {ce + df, cf-\-de) = = {ace -\- adf -\- bcf -\- bde, acf -\- ade-\-bce -|- bdf). Получившиеся в итоге пары равны, т. е. [{а, Ь)(с, d)]{e, f) = (a, b)[{c, d){e, /)]. Отношения эквивалентности пар B) обладают свойствами 1)—3) из теоремы § 19. Действительно, 1) {a, b)>~^{a, b), ибо a-\-b = b-\-a. 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, /), то {a, b) ~ (е, /), ибо, складывая равенства a-\-d = b -\-c, с -|-/= d-\-e, получим: а -\- + ??-)-с-(-/= b-\-с-\-d-\-е, откуда a -\-f=b-\-e (§ 14,теорема 3). Итак, отношение эквивалентности определяет разбиение мно- множества М всех пар на классы эквивалентных пар. Будем обозна- обозначать эти классы малыми греческими буквами а, р, у> Ь, ... 11 ¦
164 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Определение 2. Пусть Со есть множество всех классов эквивалентных пар множества М. Суммой (произведением) двух классов а и [3 назовём тот класс а -\- E (соответственно аE), который содержит сумму (произведение) пары класса а и пары класса [3. Как всегда при определении операций над классами через опе- операции над представителями этих классов, надо показать, что резуль- результат операции не зависит от выбора представителей. Это следует, очевидно, из такой теоремы: Теорема 5. Если то (at, (а„ Доказательство. Докажем, что из (аи bt)>^(а2, Ь%) для любой пары (с, d) следует: (alt &i)-f-(c, d)>~--'(ai, b^)-\-(c, d) и (av ft,)(с, ??)~(g2, bz)(c, d). В самом деле, al-\-b^ = ai-\~bl, откуда (alf Умножая обе части равенства at~\- bi = bl-\-ai на с и — после перестановки левой и правой его частей ¦— на d, получим: Складывая, находим: («jC -\- btd) -|- (a2 откуда (at, Применяя дважды только что доказанные законы коммутатив- коммутативности сложения и умножения пар, найдём: (a,, (alt bx) (Ci, с?,) ~ (a2, &s) (c1; ??t) ~ (a2, ft2) (c2, d2). Итак, определение 2 действительно вводит во множестве Со классов эквивалентных пар однозначно определённые операции сло- сложения и умножения. Теорема 6. Множество Со с операциями, указанными в опре- определении 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) = = (?, 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 E два класса из Со, причём а содержит пару (а, Ь) и E—пару (с, d). Надо найти класс у такой, что а —|— y = Р- Если (х, у) — пара искомого класса у, то вовсе не нужно, чтобы выполнялось равенство (а, Ь) ~\- {х, у) = (с, d), a до- достаточно лишь эквивалентности (а, Ь) -)- (х, у) <--' (с, d). Пред- Предположим сначала, что пара (х, у) с этим свойством существует. Тогда (а-\-х, b -[-у) ~ (с, d), откуда а~\-х -\-d = b -\-y-\-c или (а -\- d) -\~ х = (Ь -\- с) -\-у. По определению эквивалентности B) (х, у) ~ (Ь 4- с, а-\- d). По теореме 5 достаточно проверить, что хотя бы одна пара (х, у) с этим условием обладает требуемым свойством, т. е. удов- удовлетворяет соотношению (а, Ь) -\~ (х, у) <~^ (с, d). Но сама пара (Ь -\- с, а -\- d) обладает нужным свойством. Действительно, (a, b) + (b + c, a-\-d) = (a-\-b^-c, b + a-\-d)~(c, d). Этим доказано существование класса у, для которого а -)- 7 = Р- Теорема доказана. Из существования класса у со свойством а —{- y = Р вытекает его единственность (§ 6, теорема 1). Выясним, какой смысл имеют в кольце Со нуль и противополож- противоположный элемент. Нуль по его определению — такой класс 0, что о-[-0 = а для любого класса а. Если а содержит пару (а, Ь) и 0 — пару (х, у), то должно быть (а, Ь) -{- (х, у) ^ (а, Ь). Отсюда, как в доказатель- доказательстве последней теоремы, с заменой (с, d) на (а, Ь) получим: (х,у)~(Ь-\-а, a+-b) = (a-\-b, a-\-b) = (k, k). По B) любая такая пара действительно удовлетворяет условию (a, b)-\-(k, ft)~(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 а-\-(—а) = 0. Если а содержит (а, Ь) и —а содер- содержит (х, у), го (a, b)-\-(x, y) = (k, k). Здесь можно писать не <^, а =, так как по B) 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, Ь)-\-(Ь, а) = [а-\-Ь, 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- противоположна некоторой паре класса а. Итак, класс ¦—а, противоположный классу а, состоит из пар, противоположных парам класса о. Построенное нами кольцо Со является изоморфным кольцу це- целых чисел. Если строить целые числа лишь с точностью до произ- произвольного 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- эквивалентных пар натуральных чисел. Так как натуральные числа сами ещё не являются элементами кольца Со, то для получения из Со кольца целых чисел (определе- (определение 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 афЪ. Назовём класс о классом первого рода, если a~j>b, и второго рода, если а<^Ь. Это определение не зависит от выбора пары (a, Ь) в классе а, так как если (а, &)~ ~(с, d), то а-|-d = Ъ-)-с. Поэтому из а^>Ь следует (§ 16, тео- теорема 2) d<^c, c^>d, из a<^b следует также c<^d. Пусть Nt и N%—соответственно множества классов первого и второго рода. Покажем, что множество Л^ классов первого рода изоморфно мно- множеству iV натуральных чисел относительно операций сложения и умножения. Построим взаимно однозначное отображение / множе- множества TV, на N. Если класс а из Л^ 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)r-~>(c, d), т. е. a-\-d = b-\-c при a = b-\-k, следует b-\-k-\-d = b-\-c, откуда также c — d-\-k. Раз- Разным классам соответствуют разные числа, так как если о содержит (а, Ь) и р содержит (с, d), причём f(a)—f($) = k, то a — b-\-k, c = d-\-k и, складывая крест-накрест, найдём: = b-\-k-\-c, a-\-d = b-\-с, (a, b)~(c, d), a = f3. Любое число k является образом некоторого класса а, именно содер- содержащего пару (a-\-k. а). Этим доказано, чго отображение / взаимно однозначно (§ 3, определение 3).
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 167 Покажем, что Л^ и N изоморфны относительно определённых в них сложения и умножения, т. е. покажем справедливость равенств /(а)+/(Р) =/(« + р}> /(а)/(Р)=/(аВ). E) В самом деле, если а содержит пару (a-\-k, а) и р— пару (Ь -J- /, Ь), то a -f- р содержит пару (a -J- b -f- k -|- /, а -\- Ь), и, следо- следовательно, Далее, <*Р содержит (a + ft, a)-F + /, ft) = == (а&-|-Л* +«' + *' + «*. а* + А* + а6 + оО = (с+А/, с), где c = 2ab -\-al-\-bk. Следовательно, 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 /. Если дополним определение отображения /, полагая/(а) = а для любого класса о второго рода и для а = О, то получим взаимно однозначное отображение Со на С. Определим сложение и умножение во множе- множестве С следующими равенствами: /(«?)• E') Здесь а и р — любые классы кольца Со. Так как /—взаимно одно- однозначное отображение Со на С, то /(а) и /(Р) — любые элементы С. Далее, сумма a-f-P и произведение ар определены в Со однозначно, и равенства E') действительно определяют операции сложения и умножения для любых элементов множества С. Итак, С—множество с двумя операциями. Одновременно равен- равенства E') показывают, что множество С с так определёнными операци- операциями 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 А=/(а) и /=/(R) — натуральные числа, то а и р — клас- классы первого рода. Тогда равенства E'), определяющие в кольце С сумму k -J- / и произведение kl, совпадают соответственно с равен- равенствами E), где сложение и умножение в левых частях являются операциями, определенными для натуральных чисел в §§ 12, 13. Итак:
168 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ 3) Сложение и умножение натуральных чисел совпадают с од- одноимёнными операциями для этих чисел в кольце С. Покажем, что любой элемент кольца С равен разности натураль- натуральных чисел. Любой элемент С имеет вид /(а), где а — класс кольца Со и /—построенное выше отображение Со на С. Пусть а содержит пару (k, Г), причём k=f(fi), /=/G). По определению отображения / класс р состоит из пар вида (b-\-k, b) и у — из пар вида (с-\-1, с), следовательно, класс а-)-Т содержит пару (k, Г)-\- -\-(с-\-1, с) = (?-|-с-|-/, 1-\-с), принадлежащую р, откуда [ р Итак, по определению сложения в кольце С, т. е. по E')'): /(«)+/(т)=/(Р). т.е. /(a)=/(P)-/(T) = ft-/«). Любое подкольцо С, содержащее натуральные числа, должно содержать все их разности и совпадает с С. Следовательно, 4) Кольцо С не содержит никакого подкольца, содержащего N 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- натуральных 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- параграфе мы рассмотрим простейшие свойства этого кольца и увидим, что оно ничем не отличается от всем известной совокупности це- целых чисел. § 21. Свойства целых чисел Замечание 1. Для целых чисел как для элементов кольца верны все правила оперирования, доказанные в § 7. Так, произ- произведение нуля на любое число равно нулю [§ 7, B)], верны обыч- обычные правила знаков при умножении [§ 7, C)] и т. д. Теорема 1. Натуральными числами 1, 2, 3, ..., числом О и числами—1,—2,—3, ..., противоположными натуральным, исчерпывается всё кольцо цегых чисел С, т. е. для любого эле- элемента а?С имеет место один и только один из трёх случаев: а — натуральное число, а = 0, —а — натуральное число. Доказательство. Пусть а =/(о), где о — класс кольца Со 3). Выше было доказано, что о либо первого рода, либо 0, либо ') Заметим, что нельзя применять E), так как класс а не обязательно первого рода. а) Для класса второго рода и 0, содержащихся в С, доказанное означа- означает, что класс, содержащий пару (k, /), равен разности k — /. 3) 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 несовместимы (§ 14, теорема 1). Если а — второго рода, то k<^l. Тогда противопо- противоположный класс —а содержит пару (I, К), где l^>k, т. е. он первого рода. При изоморфизме / свойство элементов быть противополож- противоположными друг другу сохраняется, т. е. /(—а) = —/(а) = —а. Если а первого рода, то «=/(а) — натуральное число по опреде- определению /; если сс = О, то а = о = 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- натуральное число 1. Доказательство. Будем вместо а писать, если нужно, также -\-а. Покажем, что произведение ab целых чисел лишь тогда рапно нулю, когда один из сомножителей равен нулю. Пусть афОи Ъ ф 0. По предыдущей теореме а =± cub—±d, где cud —натуральные числа. Тогда ab=^±cd, где берём знак-(-при одинаковых знаках а, Ъ и знак — при разных; cd ф 0, так как произведение натуральных чи- чисел является натуральным числом, следовательно, аЪ 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 Ъ — натуральное число, то а«1=(—Ь) • 1 = — (b-l) = — Ь — а. Тео- Теорема 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- противоположные 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- натуральные, то выполнена и аксиома X. Раз натуральные числа положи- положительны, 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- положительных 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- неположительно. По теореме 1 числа 0 и + й, где п—любое натураль-' ное число, исчерпывают С. Таким образом в С положительны нату- натура чьные числа и только они. Итак, любое расположение С совпа- совпадает с расположением, указанным в начале доказательства. Замечание 2. Целые числа обладают всеми свойствами эле- элементов 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- отрицательных чисел (§ 10, теорема 1). Для этого порядка верны законы монотонности и правила оперирования с неравенствами (§ 10, тео- теоремы 2—4). Определяя абсолютную величину | а | числа а как неотри- неотрицательное 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 георема 8 из § 14 для них уже неверна. Для справедливости утверждений такого рода необходимы дополнительные условия. Определение. Множество А целых чисел называется огра- ограниченным 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<^f) для любого числа х из А. Пустое множество ограничено. Теорема 5. Любое непустое и ограниченное сверху (соответ- (соответственно снизу или ограниченное) множество целых чисел А со- содержит наибольшее (соответственно наименьшее или как наиболь- наибольшее, так и наименьшее) число. Доказательство. Пусть А ограничено сверху. Если А со- содержит 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 Л. Если А не содержит натуральных чисел, но оно содержит число 0, то 0 и будет наибольшим в А. Если А содержит лишь отрицатель- отрицательные числа, то множество В, содержащее числа, противоположные числам из А, состоит из натуральных чисел и содержит наимень- наименьший элемент Ь: b-.-^у для любого у из В. Умножая на — 1, найдем (§ 10, теорема 2): —Ь^—у или, полагая а = — b и х = —у, аТ^х для любого х из А. Бхли А ограничено снизу, то определен- определенное выше В ограничено сверху, и по доказанному В содержит паи-
КОЛЬЦО ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ 171 большее число Ъ. Тогда число а = — Ъ 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- следует, что она верна для числа лг-f-l, то она верна для любого числа Ь^а; б) если из того, что теорема Т верна для числа х^а, сле- следует, что она верна для числа х—1, то она верна для любою числа Ъ ^ а; в) если из того, что теорема Т верна для любого числа х, удовлетворяющего неравенству xt <^x<^xit где x1^a^Sxi, сле- следует, что она верна для чисел xt и лг2, 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 лг^>Л, для которых Т неверна. Множество А ограничено снизу числом а и непусто, ибо содержит число Ъ. По предыдущей теореме это множество содержит наименьшее число дг2. Если положим хх равно а—1, то теорема Т верна для любого числа лг такого, что Л<СЛГ<СЛГ2' пРичём хг<^а<^х%. Следовательно, теорема Т верна и для чисел xt и лг2. Но число jc2 принадлежит множеству А, т. е. для лг2 теорема Т неверна. Полученное противоречие доказывает утверждение в). Теорема 7. Кольцо целых чисел архимедовски расположено (§ 10, определение 3). Доказательство. Пусть аи b — целые числа и &^>0. Если a =S 0, то 1 • b = Ъ ^> а. Если а ^> 0, то а и Ъ — натуральные числа и для них аксиома Архимеда выполнена (§ 14, теорема 6). Поэтому существует натуральное число л такое, что nb~^>a. 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- положительные, отрицательные и число нуль. Дробные числа появились в глубокой древности задолго до отрицательных чисел. Их возник- возникновение связано с задачами измерения. В случае, когда единица из- измерения не укладывалась целое число раз в измеряемой величине, естественно возникало понятие о дробном числе. Заметим, что при- принятый 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- появляются уже после дробных. Такое построение нами принято с целью получить возможно раньше числовую область (целых чисел), кото- которая 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- переставить местами построения «относительных» чисел из § 20 и рациональ- рациональных чисел из данного параграфа. Тем самым будет сохранён обыч- обычный для школы порядок изложения. Расширение множества целых чисел до множества чисел рацио- рациональных производится по общему плану, указанному в § 18 для любого расширения, и рассуждения при этом аналогичны проведён- проведённым в § 20 при расширении натуральных чисел до целых. Всё от- отличие состоит в том, что тогда речь шла о свойствах сложения, а теперь — о свойствах умножения. Во множестве целых чисел не всегда выполнима операция, об- обратная 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 о г 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- минимальное поле Г, содержащее кольцо С целых чисел, т. с. мно- множество, обладающее свойствами: 1) Г содержит С; 2) Г является полем; 3) сложение и умно- умножение 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- рациональных чисел определено однозначно -с точностью до изоморфизма. Теорема 1. (Ср. § 20, теорема 1.) Поле Г, содержащее кольцо С целых чисел 1), тогда и только тогда будет полем рациональных чисел (т. е. минимальным), когда каждый его элемент равен част- частному 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 ф 0, то ", = -г тогда и только тогда, когда ad = bc; б) если ЬфО, dфO, то ^±4= " 7. ° \ в) если Ъ ф 0, d ф 0, то -т —^ = -т-г; г) если ЬфО, сфО, dфO, то 7T:7f=fi:r- Пусть М — множество всех элементов поля Г, каждый из кото- которых равен частному целых чисел. Из A) следует, что сумма, раз- разность, 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 a = —g-, где b — целое число, отличное от нуля. Из совпадения операций в С и Г ') Здесь и ниже подразумевается, что операции над элементами под- подмножества совпадают с одноимёнными операциями над теми же элементами в надмножестве.
174 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ следует поэтому, что М 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 минима гьные поля, содержащие ко гъцо С целых чисел, изоморфны, т. е. поле рацио- рациональных чисел единственно до изоморфизма. Доказательство. Пусть Г, и Г2 — два таких поля. По пре- предыдущей теореме любой элемент Г, и Г2 равен частному целых чисел. Строим отображение / поля Г, на Г2 так: если с, 6 Tlt c,=-r- в Г., где а и Ъ — целые числа ис, = т в Г2, то положим о о f(c1) = ci. Ввиду полной аналогии дальнейших рассуждений с дока- доказательством теоремы 2 из § 20 ограничимся лишь указанием, что взаимная однозначность этого отображения следует из свойства а). Далее, из свойства б) следует: /(с,+<*,)=/(<:,)+/(<*,), и из в) следует для любых с1 и dl из Г, что и доказывает изоморфизм полей Tt и Г2. Теорема 3. (Ср. § 20, теорема 3.) Любое поле Р, содержа- содержащее кольцо целых чисел С, содержит и поле рациональных чисел. Доказательство. Пересечение всех подполей поля Р, содер- содержащих 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 нолем 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- удовлетворяющего 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 A). За исходный элемент построения поля рациональных чисел при- принимаем опять пару (а, Ь) целых чисел, взятых в данном порядке, причём второе число пары Ъ отлично от нуля. Пусть М — множе- множество всех таких пар. Определяем отношение эквивалентности, сло- сложение и умножение пар так, чтобы им соответствовали равенства, сложения и умножения частных чисел этих пар в искомом поле. Именно, согласно A) полагаем (а, Ь)~(с, d) B)
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 175 тогда и только тогда, когда ad = bc, (a, b)-\-(c, d) = (ad-\-bc, bd), C) (а, Ь)(с, d) = (ac, bd). D) Отметим, что пары в правых частях C) и D) снова принадле- принадлежат множеству М, так как из Ъ фО и d^bO следует bd ф 0 для любых целых чисел b и d (§ 21, теорема 2). Теорема 4. Сложение и умножение пар коммутативны, ассоциативны, а вместо закона дистрибутивности верна эквива- эквивалентность [(а, *) + (с, d)) (е, /) ~ (а, Ь) (е, /) + (с, d) (е, /). E) Доказательство Все эти свойства доказываются непосред- непосредственной проверкой с использованием свойств целых чисел как эле- элементов кольца (§ 20, определение 1). Проверим, например, эквива- эквивалентность E). Преобразуем левую и правую части отдельно: [(a, b) + (c, d)](e, f) = (ad^\-bc, bd)(e, f) = {adc + bce, bdf), (a, b){e, /) + (c, d)(e, f) = (ae, bf) + {ce, df) = = {aedf-{-bfce, bfdf). Но из определения эквивалентности B) следует, что получив- получившиеся в итоге пары эквивалентны. Отношение эквивалентности пар B) обладает тремя основными свойствами равенства (§ 19), а именно: 1) (a, b)r~~>(a, b), ибо ab = ba; 2) если (а, Ь)>-^ (с, d), то (с, d)^->{a, b)\ ибо если ad = bc, то cb = da; 3) если (а, b)^~>{c, d) и (с, d)>-^(e,f), то (а, b)r~~>(e,f), ибо умно- умножая равенство ad = bc на / и равенство cf=de на Ь, находим: adf=bcf=bde, т. е. adf=bde, откуда af^^be, так как d^O. Это отношение определяет разбиение множества М на классы эквивалентных пар. Будем обозначать эти классы малыми греческими буквами а, [3, у, 8, ... Определение 2. Пусть Го есть множе(тво всех классов эквивалентных пар множества М. Суммой (произведением) двух классов а и [3 назовём тот класс а -\- [3 (соответственно, а[3), кото- который содержит сумму (произведение) пары класса а и пары класса р. Как и в предыдущей главе, независимость суммы и произведе- произведения классов от выбора их представителей вытекает из такой теоремы: Теорема 5. Если (а1г bt) ~ (а2, ?2) tt (cu ^i) ~ (С2> ^г)« то
176 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, К0ЛЫ1\ И ПОЛЯ Доказательство. Как и прежде (§ 20, теорема 5), доста- достаточно доказать, что для любой пары (с, d) будет: c d) с, d). По условию эквивалентности B) имеем: a1ft2 = as&1. Умножим обе части на d. Найдём: a^bad^^ajbid. Прибавим к обеим частям b±cbv Получим: axb%d -f- ftjC&jj = a.^jd -f- &,c&2. Умножим обе части снова на d и вынесем общие множители за скобки. Будем иметь: (a^d -f- btc) b^d — (a2rf -]- b^c) b^d, откуда ( Умножим обе части равенства aibi = aibi на cd. Найдём: (GiC)(M) = (g2c)(M)> откуда Итак, определение 2 действительно вводит во множестве Г„ классов эквивалентных пар однозначно определённые операции сло- сложения и умножения. Теорема 6. Множество Го с операциями, указанными в опре- определении 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 (a, b), класс р — пару (с, d), то из (a, b)-\-(bc~ ad, bd) = (abd-\-b4 — abd, b4)~(c, d) следует, что класс у. содержащий пару {be — ad, bd), удовлетворяет условию а-(-7 = 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 (лг, у), эквивалентная паре (О, Ъ), сама имеет тот же вид, так как из xb=y-0 и ЬфО следует лг —0. Таким образом, все пары вида @, 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 аир, причём класс а отличен от нуля. Если а содержит пару (а, Ь) и р—пару (с, d), то а ф 0. Существует поэтому пара (be, ad). Пусть -у — класс, содержащий эту пару. Из (a, b)(bc, ad) = (abc, abd)>-^(c, d) следует а^ = р, что и доказывает VII. Итак, Го является полем. Выясним ещё, какой смысл имеют в поле Го единица и обратный элемент. Если <хе = <х, где а отлично от нуля, а содержит (а, Ь), где пуЬО, е содержит (х, у), то (а, Ь) (лг, у) <~ (а, Ь), откуда abx— = aby, х=у. Очевидно, что, обратно, пара вида (лг, лг), лг^О удовлетворяет условию (a, b)(x, *)~(а, *). Все пары этого вида составляют один класс, играющий, очевидно, роль единицы в поле Го. Обратным для класса а, содержащего пару (a, b), афО, будет класс, содержащий пару (Ь, а), так как (a, b)(b, a) = (ab, ab) при- принадлежит 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 (ас1г Cj) и (ас%, с2) экви- эквивалентны. Обратно, всякая пара, эквивалентная паре (ас, с), сама будет вида (acv q). В самом деле, из (Ьъ Cj) <^-> (ас, с) следует: fcjC^Cjac, откуда Ь1=^ас1. Итак, класс а состоит из пар вида (ас, с) с данным а и любым с у? 0. Пусть С — множество всех классов пар (Ь, с), где Ъ 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 c1)^^(ac2. c2), то этим определено однозначное отображение a=/(a) множества классов С во множество целых чисел С. Двум разным классам соответствуют разные числа, и любое число а соответ- соответствует некоторому классу, именно классу, содержащему пару (ас, с). Таким образом, / есть взаимно однозначное отображение С на С. 12 Энциклопедия, кн. 1.
178 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, 1СОЛЬЦ\ И ПОЛЯ Покажем, что / будет изоморфным отображением множества С с операциями над классами на кольцо целых чисел. Достаточно доказать равенства ). Л«0-/(Р)=Л«Р)- F) Но если класс а содержит пару (ас, с) и класс р—пару (be, с), то (<х-}-р) содержит пару (ас, с) + (Ьс, с)=[(а-{-ЬУ, с2] и класс ар—пару (ас, с)(Ьс, с) = (аЬс\ с2), откуда 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- числом. Для определения операций в Г дополним определение отобра- отображения /, положив /(а) = а для любого класса из Го, не входящего в С Тогда / будет взаимно однозначным отображением Го на Г. Сложение и умножение в Г определяем равенствами /(«)+/(?)=/(«+Р), /(а)-/(Р)=/(«Р)- (?) Здесь а и р— любые элементы Го, следовательно /(а) и /(C) — любые элементы Г. Поэтому равенствами G) действительно опре- определены операции во множестве Г. Теорема 7. Множество Г с операциями, определёнными ра- равенствами G), 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 G), определяющие сло- сложение 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- одноимёнными 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 G) совпадают с F), где сложение и умножение в левых частях равенств означают операции над целыми числами, определённые в § 20.
ПОЛЕ РЛЦИОН\ЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 179 4) Поле Г не содержит отличного от него самого нодноли, 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 (k, l) целых чисел, причём 1фО. Тогда &=/([3), /=/(y). По определению отображения / класс р состоит из пар вида (kc, с) и -у—из пар вида Aс, с), следовательно класс а'( содержит пару (k, l)(lc, c) = (klc, lc)r^(kc, с), откуда a"if=C. Согласно определению умножения в Г [второе из равенств G)] отсюда находим: /(а)"/(т)=/(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 Ъ ф. О и а не делится на Ь. Этим решён вопрос о существова- существовании поля рациональных чисел, т. е. поля, удовлетворяющего опре- определению 1. Остаётся ввести для рациональных чисел обычные обо- обозначения 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- обозначения с помощью дробей. Каждое рациональное число а является образом некоторого класса а поля Го, т. е. a=f(d). Класс а одно- однозначно определяется любой входящей в него парой {k, l) целых чисел, где 1фО. Таким образом, любое рациональное число а одно- однозначно определяется парой (k, l) из класса а. Будем обозначать это число а через -j , а символы -=-> гДе * и * — целые числа и 3, будем называть дробями 1). 1) Таким образом, в отличие от молчаливо принимаемого обычно пони- понимания 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 _ 4^_ 6 _ ~3~~~6"~~9 ~ш • * 12 *
180 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ к Но тот же символ -=- в поле Г обозначает частное от деления k на /. Это не ведёт, однако, к противоречию, так как по дока- доказанному в конце предыдущего параграфа, если a=f(a) и класс а k k содержит пару (k, /), то действительно а = у, где -. частное от деления k на /. Все дроби, составленные из пар одного класса а, обозначают одно и то же рациональное число a=f(d). Таким образом, по определению эквивалентности пар B) имеем ъ — d I1* тогда и только тогда, когда ad —be. Отсюда, в частности, вытекает основное свойство дроби, т. е. равенство - — — B) Ь~ be V> для любого с ф 0. На этом свойстве основаны, как известно, сокра- сокращение дробей и приведение дробей к общему знаменателю. Заметим, что ^ = ~г будет целым при условии, что k делится на /. 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— А 3 — j _ — 5. Так как дробь -j обозначает рациональное число, равное част- частному от деления k на / в поле Г, то для действий сложения, вычитания, умножения и деления над числами, обозначенными дробями, вер- верны правила A), 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- составляют 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, C)]; существует единица, причём она равна числу 1, соответствующему единичному классу поля Го при изоморфном отображении / (ибо этот класс состоит из пар вида (с, с) = (с-1, с), где с ф 0); любое число гг- Ф 0 имеет обратное, причём это будет число —; отсутствуют де- делители 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- расположено (§ 10, определение 1) и притом единственным образом. k При этом число а =¦ у положительно, если целое число kl поло- положительно. Это расположение в частном случае целых чисел совпа- совпадает с расположением целых чисел, определённым ранее (§ 21, теорема 3). Доказательство. Будем считать рациональное число а = -г, где kjbO, положительным, если целые числа k и / — одного знака, т. е. или оба положительны, или оба отрицательны, иначе говоря, а = -у- положительно (в символах: а^>0), если kl^>Q в смысле расположения целых чисел. Это определение положительности числа а не зависит от его записи в виде дроби. В самом деле, если а=-^- = -~ HkJx^Q, то, умножая последнее неравенство на поло- «1 '2 жительное целое число t\, получим: Но /i>0, следовательно k%lt^>0 (§ 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- целых чисел аксиома IX выполнена, то выполнено одно и только одно из трёх соотношений kl^>0, kl=0, —kl^>0. Если kl^>Q, то а^>0, если kl=0, то & = 0 и а = 0, если то—а=^—^>0. Итак, аксиома IX справедлива и для рациональных чисел. Если то ибо (V*+ад hh=(* А) ч+(* A) i\ > о. А также ибо (*1Aa)(Vj) = (ft, И гак, аксиома X для рациональных чисел выполнена. Поле Г расположено.
182 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЧЯ 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- некоторое расположение содержащегося в нём кольца С целых чисел. Но кольцо целых чисел допускает единственное расположение (§21, теорема 3). Поэтому любое расположение (в частности, определён- определённое 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- расположение. Оно сохраняет неизменным расположение целых чисел. Пока- k жем, что рациональное число а = -г тогда и только тогда поло- положительно, когда целое число kl положительно. В самом деле, если у^>0, то, умножая на ^^О, найдём kl^>0. Если, обратно, ь ь то и —^>0, так как иначе j-^О, и, умножая на /2^>0, найдем — kl^O, что противоречит 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 — Ъ положительно, мы вводим порядок, при котором 0 меньше всех положительных и больше всех отрицатель- отрицательных чисел (§ 10, теорема 1). Для этого порядка верны законы монотонности и правила оперирования с неравенствами (§ 10, тео- теоремы 2—4). Поле рациональных чисел имеет характеристику 0 (§ 10, теорема 6). Определяя абсолютную величину числа а как неот- неотрицательное из чисел ±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 а=-.- с целыми k, I и I -ф. 0, то и 1е -ф 0, и мы положим: k ke , ч ае = -е = -1~, ах = (ае)х. Для целого а это определение совпадает с данным и § 7, ибо из к я = у следует а/=/г и по E) из § 7
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 183 ke 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- рациональном а — рациональными элементами поля Р. Теорема 2. Любое поле Q характеристики 0 содержит одно и только одно подполе П, изоморфное полю рациональных чисел Г. Это подполе П состоит из всех рациональных элемен- элементов ае поля Q, и существует только одно изоморфное отобра- отображение 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- допускает лишь одно изоморфное 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, F) и § 7 (б)]: а) те -f- пе = (/га -|- п) е, (те) (пе) = (тп) е. Так как характеристика поля Q равна нулю, то пе ф 0 для любого целого п ф 0. Если тфп, то т — п Ф 0 и те — пе = (т — п) е ф 0. Таким образом,- соответствие п -—> пе между кольцом С целых чисел и множеством 5 целых элементов поля Q взаимно однозначно и в силу а) изоморфно. Точно так же из соотношений а) и правил сложения и умноже- умножения частных б), в) (§ 8, теорема 3) имеем для любых рациональных а = -~ и b=^- равенства б) ае -J- be = (a -J- b) e, (ae) (be) = (ab) e, ибо . . ke , те __ (fee) (пе) + (Щ (те) __ (kn + lm)e _, , ., ae-}-be= |Г+— = щщ ще — -(« + ь)е- ke me _ (fee)(me) ___ (km)e _(п1Лр (ае)(be) = -^ ¦ -^--щщ~--щГ-(аЬ) е- Если а = ^-фО, то кфО и ае = ^-фО. Отсюда, как выше, если афЬ, то ае ф 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 «=l-t-----|-l -- е-\- • • '~\-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- п пе 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 к y=f(x)— любое изоморфное ото- отображение 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 / сохраняет отношения порядка. Теорема доказана. Эта теорема показывает, что поле рациональных чисел в извест- известном 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- расположено (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 Ъ, где Ь^>0, существует п~^>-г, и, Ь b^ умножая на Ь, получим ^ Пусть а — любое рациональное число. Если аг?0, то п^>а для любого натурального п. Если а^>0, то его можно представить k дробью а = — , где k и /—натуральные числа, ибо по теореме 1 kl~^>0, т. е. k и / одного знака, а по B) знаки k и / можно менять одновременно. Тогда-/^1, и, умножая на а^>0, найдём k^a, откуда п = k-\-l ~^> а. Теорема доказана. Теория делимости для поля рациональных чисел, как и для вся- всякого поля, бессодержательна и сводится к положению, что любое число делится на любое другое число, отличное от нуля. Для применения математики и технике и других науках в извест- известном смысле слова достаточно одних рациональных чисел и даже не
ПОЛЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 185 всех рациональных чисел, а, например, чисел, выражаемых конеч- конечными десятичными дробями. В самом деле, во всех измерениях и вычислениях прикладного характера достаточно знать результат вы- вычисления лишь с некоторой определённой степенью точности. При этом нужной точности можно достигнуть, используя лишь числа указанного рода. Для точного уяснения смысла этого утвержде- утверждения введём такое понятие. Определение. Пусть дано натуральное число п. Все рацио- рациональные числа вида тпь, где тик — любые целые числа, назы- называются 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 ? = 0 найдём, что все целые числа я-рациональны для лю- любого п. То, что для всех приближённых вычислений рациональные числа можно заменить «-рациональными, вытекает из следующих двух предложений, которые мы докажем не для поля рациональных чи- чисел Г, а в более общем виде, так как в этом виде они нам по- понадобятся в следующей главе. Теорема 4. Пусть Р—архимедовски расположенное поле, содержащее поле рациональных чисел Г, а — элемент Pun — на- натуральное число, большее единицы. Тогда для любого целого числа k существует целое число т такое, что -\- l)nk. Доказательство. Из и^>1^>0 следует и*^>0. Так как поле Р архимедовски расположено, то существуют натуральные числа lt и /2 такие, что lxnk^>a и link'^> — а, откуда (—1%)пк<^а. Следовательно, множество А целых чисел /, для которых //zft=sSa, содержит — 1%, т. е. непусто, и ограничено сверху, так как из lnk =^a<^ltnk следует 1<CJ\- Поэтому А содержит наибольшее число т (§21, теорема 5). Так как т принадлежит А и т-\-\~^>т уже не принадлежит А, то по определению множества А имеем: 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 к такое, что -у<^а. Доказательство. Сначала докажем неравенство nk>k C) для любого натурального числа и}> 1 и любого целого числа к.
186 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Так как иь^>0, то для k^O это неравенство выполнено. Для натурального k докажем его индукцией по числу k при данном п. По условию и1 = и^>1, т. е. для & = 1 неравенство верно. Если оно верно для числа k, то nb~^>k, откуда nk+1 = n-ri* > nk =- 2k = k -f k 5s A: -f 1, т. е. неравенство верно и для числа Tfe —|— 1 _ Так как а^>0, то по аксиоме Архимеда найдётся натуральное число k, для которого 1 <^ ka. По C) тогда также 1 <^ пка. Умножая на n~k ^> 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- заменой в их формулировках рациональных чисел на соответствующие им элементы (т. е. числа г на элемент re, где е — единица Р). Из теорем 4 и 5 вытекает, что для целей приближённых вы- вычислений рациональные числа можно заменить и-рациональными при данном п. В частности, можно применять числа, изображаемые конеч- конечными 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 Ъ (резуль- (результаты вычисления по недостатку и по избытку) такие, что а<^Ь, Ъ — а<^с и искомый результат вычисления заключён (в определён- определённом смысле для данного вычисления) между а и Ъ. Но по теореме 5 существует целое k такое, что Далее, по теореме 4 найдутся целые числа I и т такие, что b и (m—l)nk Так как интервал (alt bt) шире (а, Ь), то естественно считать ре- результат вычисления заключённым между ах и bv Далее, =c. Таким образом, ах и bl 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- меньшим уже «-рациональным числом. Однако для точного выражения результата вычисления недоста- недостаточно не только л-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-
ПОЛК 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 MN), следовательно MN и АВ будут соизмеримы. Из геометрии известно, что существуют несо- несоизмеримые отрезки. Так, диагональ квадрата несоизмерима с его сто- стороной. Приняв стороны квадрата 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 число, большее единицы, то ур не может равняться рациональному числу. Иначе, \/р = — с натуральными q, г (если для чётного п взять положительное значение корня). Тогда р = -^- и pf-^q"-. D) Если в разложении числа q на простые множители р встре- встречается а раз, а в разложении числа г встречается Ъ раз, то в ле- левой части равенства D) р войдёт множителем па-\-1, а в правой части — пЪ раз. Но na-\-l ^ пЬ, так как второе число делится на п, а первое не делится. Таким образом, в разложении на простые множители левой и правой частей равенства D) простое число р входит неодинаковое число раз, что противоречит однозначности разложения натурального числа на простые множители'). В следующей главе мы займёмся расширением поля рациональ- рациональных чисел до поля действительных чисел, в котором измерение от- отрезков 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- несоизмеримых отрезков. Стремление получить для их отношения точное числовое значение должно было бы привести к понятию иррацио- иррационального числа. Однако строгое обоснование этого понятия оказа- оказалось не под силу учёным древности. Стремясь к строгому обосно- обоснованию математических положений, они придавали им геометрическую форму. Примером этой своеобразной геометрической алгебры могут служить «Начала» Евклида. В Средние века индусы пользовались иррациональными выраже- выражениями, 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- основе наглядных представлений, изображая числа точками прямой линии. Ко второй половине XIX в. потребность формального построе- построения 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- встречается построение Дедекинда, с которым читатель может познако- познакомиться 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- рациональными числами. Мы хотим теперь расширить поле рациональ- рациональных 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 сиоПства чисел нужны для разрешимости этих задач, и притги тем самым к целесообразному определению поля действительных чисел, разберем эти две задачи подробнее. Пусть надо найти отношение отрезков АВ и MN. Тогда мы откладываем на отрезке MN от точки М отрезок ММ1 = АВ, затем от Ж] в том же направлении MlMi = AB и т. д. По геометриче- геометрической аксиоме Архимеда найдется 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 г? MN, ограничено сверху и непусто, ибо число О ему принадлежит. Поэтому это множество содержит наибольшее число а0 (§ 21, теорема 5). Если а0 -^- 1 = ^0, то а0 • АВ s=S M/V< b0 • АВ. Естественно1 считать, что искомое отношение MN:AB лежит между а0 и Ьо. Далее, делим АВ на 10 равных частей и для одной из них AxBt повторяем наше рассуждение. Получим целые числа [ fc| j-|-l, для которых, или, полагая имеем: Так как 10а0 • А1В1=а0 • ABs^MN<^b0 - АВ= ЮЬ0 • AlBv то по максимальности а[ будем иметь: 10a0s?a;<1060> откуда fc'i==a;4-1^10fc0 и ao^%=ai и *o^ig = fti- Повторяя те же рассуждения, получим две последовательности чисел ап и Ьп, удовлетворяющие условиям а) а0 ^ с б) fy,5i' в) Ьа — ая = ±, и = 0, 1, 2, ... A)
190 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Искомое отношение отрезков MN и АВ естественно считать лежащим между ап и Ъп. 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 Ъп различаются между собой (а значит, и от искомого отношения) меньше чем на е при любом 0. В самом деле, существует пй, для которого 7р7г<О(§23, теорема 5), а потому Ъп — ап = гг^<^е при п~^>п0. ft Пусть надо найти у а, где а — положительное рациональное и k ^> 1 — натуральное число. Будем говорить лишь о положитель- положительном значении корня. Берём любое целое число л^О. Так как 10~"^>0, то по аксиоме Архимеда существует натуральное число т такое, что т • 1Сгп~^>а-\- 1. Для любого рационального Ь^> 1 и лю- любого натурального k^>\ имеем: fc"^! (§ 10, теорема 4), откуда bk^>b. Поэтому (т • l(T")fc^>/ra • 10~~п~^>а-\- 1 ~^>а. Множество А тех целых чисел /, для которых (/• 10~")ft =?S a, ограничено сверху и непусто, так как содержит число 0. Поэтому оно содержит наибольшее число а'п. Если Ь'п = ап-\-\, ап = а'п-10~", Ьп = Ь'„. 10"", то Естественно считать, что искомый корень \/"а лежит между ап и Ьп, Далее, Ьп — а„ = 10~". Так как числа вида т • КГ" являются также числами вида т'. 10-(п+1>, то ап = а'„ • 10""= Ю-а'я • Ю~^1) ^ а'п+1 ¦ Так как a<^(b'n. 10-")fc = A0 .Ъ'п то откуда Ь'щ.1 =а'„+1 -\- 1 ^ 10 • Ь'п, f, f,' . 1П-(п+1) <- If) . h' Итак, мы снова получаем последовательности ап и Ьп с теми же свойствами A). Мы принимаем, что искомый корень при любом п лежит между ап и Ьп. О приближении этих чисел к значению корня можно сказать точно то же самое, что было сказано в случае отно- отношения отрезков.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИГЕЛ 191 Всё дело заключается, однако, в том, что такого числа, к кото- которому числа ап и Ъп приближались бы вышеописанным образом, среди рациональных чисел может не быть. Для того чтобы такое число нашлось для любых последовательностей рациональных чисел ап и Ъп со свойствами A), приходится вводить новые (нерациональные) числа. Для их введения надо точно определить понятие последова- последовательности и её свойства. Определение 1. Последовательностью элементов данного непустого множества М называется функция (§ 3, определение 1) f(n) = an, определённая на множестве N всех натуральных чи- чисел, значение которой принадлежит множеству М. Иными сло- словами, последовательностью называется всякое соответствие, со- сопоставляющее с каждым натуральным числом п некоторый эле- элемент ап множества М. Последовательность обозначается символами а„ 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 —Ш г. I, 2 , 3 , ... —|и|. 3. 1, 0, 1, 0, ... = {ап], где ап есть остаток от деления п на 2. 4. +1, —2, +3, —4, ... = {п.(—1)п+1}. ц * 3 1 1 11 11 — Го I (~1)"+11 °- а> 2 ' 3 ' 4' 5 ' 6 ' Г ~" и Г 6. 2, 3, 5, 7, ... = \рп}, где рп — п-е простое число. Здесь мы не можем дать общую формулу для я-го числа рп. Тем не менее данная последовательность точно определена. Надо лишь восполь- воспользоваться индуктивным определением (§ 15, определение 1), положив /A) = 2, f(n) есть наименьшее простое число, большее числа / (л — 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- множества, 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- расположенное поле, содержащее в качестве подполя поле рациональных чисел Г. Всё сказанное в этом параграфе о поле Р остаётся спра- справедливым (в силу изоморфизма, установленного в § 23, теорема 2) для любого расположенного поля Q с заменой рациональных чисел г на соответствующие им элементы re, где е — единица поля Q.
192 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Определение 2. Последовательность \ап\ элементов поля Р называется ограниченной сверху (соответственно снизу), если суще- существует элемент а поля Р такой, что ап<^а (соответственно ап^>а) для всех п. Она называется ограниченной, если она огра- ограничена и сверху и снизу или (что то же самое) если существует элемент а^>0 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. — 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- положительного элемента е из Р существует (зависящее от е) натураль- натуральное число п0 такое, что \ап — а ] <^ е для любого п ^> л0. Пишут: а = lira an («предел ап при п, стремящемся к бесконечности») или «-•со просто а = \\тап («предел а„»). Последовательность \ап), имеющая предел а, называется сходящейся к а или просто сходящейся. Последовательность, не имеющая предела (в Р), называется рас- расходящейся. -""* 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: для последовательности 5 также а„ — 21 = Но по аксиоме Архимеда для поля рациональных чисел (§ 23, тео- теорема 3) для любого рационального е^>0 существует натуральное йо^>—. Тогда — <^—<^е для любого п^>пп. Последовательность 3 расходится. Правда, для любого е_>0 и любого п0 найдётся п'^>п0 такое, что \ап> — 0| = 0<[е и «".]>«„ такое, что \апч— 1 ] = 0<^е, но для e=g 1 не существует такого л0, чтобы одно из указанных неравенств выполнялось для любого п ^> п0. В самом деле, если, например, \ап — 0] = |а„]<^е=-с: 1, то ап = 0. Следовательно, ап+1 = 1 и | ап+1 — 01 — 1 ^ е. Понятие предела последовательности сходно с понятием алгеб- алгебраической 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- операция в смысле определения 1 из § 6. Возникает вопрос о выполнимости и однозначноеги операции предельного перехода. Что не всякая последовательность имеет пре- предел, 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 liitiа„ = а и Ъфа. Покажем, что Ъ уже не будет пределом нашей последовательности. Наглядное представление говорит, что элементы ап, приближаясь к а, отойдут для больших номеров от Ъ. Формально это доказывается так. Так как афЪ, то \а—?>|^>0 и —„ -^>0. Если также liraan = b, то существуют натуральные числа я, и п.2 такие, что \ап — а\<^—^— при любом п~^>пх и \ап — Ь'<^-^-^ при любом я^>/?2. Если п0 — большее из чисел «, и щ, то при п^>пй получим: т. е. \а — ?>|<^|а — Ь\, что невозможно. Отложив пока вопрос об условиях существования предела, най- найдём некоторые свойства операции предельного перехода в случае её выполнимости. Теорема 2. а) Если одна из последовательностей \ап) и {Ьп\ элементов поля Р сходится и если Hm(an — &п) = 0, то и другая последовательность сходится, причём liman —lim?n. Обратно, если обе последовательности сходятся и если liman=: = Нтйп, то Нт(а„ — Ьп) — 0. Далее, если последовательности \ап) а \Ьп\ из Р сходятся, то б) lira(an±bn) = \\man±lirabn; в) lira (an • bn) = lira an • lim bn; при условии, что liraЬпф0 и Ъпф0 при любом п. Сходимость последовательностей в левых частях равенств б), в), г) не предполагается, а следует из сходимости последователь- последовательностей \ап\ и {Ьп}. д) Если lira ап ^> Нт Ьп, то существует элемент в ^> 0 из Р и натуральное число п0 та/cue, что ап — bn~^>e ipu любом п^>п0. Если существует натуральное число путаное, что ап^Ьп при любом п^>п0, то liraan^ilira?>„. 13 Энциклопедия, кн. 1.
194 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬПЛ И ПОЛЯ Доказательство, а) Пусть, например, последовательность \ап\ сходится, причем liman = a. Тогда для любого е^>0 из Р су- существуют натуральные числа я,<^«2 такие, что \ап— а\<^^у ПРИ любом л^>к, и \ап — ^„|<С"о~ ПРИ Л1°б°м п~^>щ. Если к0 — боль- большее из чисел пх и п», то т Таким образом, lira bn = a = lim an. Второе утверждение пункта а) следует из пункта б). Пусть теперь последовательности {ап} и \Ь~п\ сходятся, причём ? liman = a и lira ?>„ = б) Для любого е^>0 существуют натуральные числа п1 и л2 такие, что \ап — а |<^~ при любом л^>к, и |йп — ?>|<CV ПРИ лю" бом п^>п%. Если п0 — большее из чисел пг и «2, то при любом ^ будет: Таким образом, lira (an ± Ьп) = а ± 6 = lim an ± lira bn. в) Сначала покажем, что сходящаяся последовательность {ап} ограничена (см. определение 2). Так как lira ап = а, то существует р такое, что \ап — а|<^1 при любом п*^>р. Тогда при п^>р. Среди конечной совокупности элементов \at\, |a2|, ... . ..,] ар |, 1 -j- | а | поля Р существует наибольший элемент а' (§ 5, тео- теорема 6). Если положим с = а! -\-\, то с^1^>0 и |а„|<^с для всех п. Далее, берем любой элемент d^>\b\, например d = \b\-\-l. Тогда, очевидно, d^>0. Так как liraan = a и lira ?>„ = ?>, то для лю- любого е^>0 из Р существуют натуральные числа /Zj и л2 такие, что \ап — al<Cod ПРИ любом «^>л, и \Ьп — 6|<^2~ при любом Если «0 — большее из чисел nt и л2, то I я А — eft | = | (а А — anb) + (а„& — ah) \ ^
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 195 при любом л^>я0. Таким образом, lira (anbn) = ab = lira an • lim bn. г) Сначала докажем, что при условии lira ?>„ = ? 9^0 существует натуральное число «, такое, что |#n|^>LJ ПрИ любом п^щ. Су- Существует натуральное число р такое, что \Ъп — b|<^LJПрИлюбом ^. Если бы доказываемое утверждение было неверно, то для числа р нашлось бы число д^>р такое, что \bq \<^L9~. Тогда т. е. |6|<^|6|, что невозможно. Последовательность \ап] сходится, а потому ограничена, т. е. существует элемент с^>0 из Р такой, что \ап\<^с при любом л. Наконец, из lira аП = а и lim bn = b следует, что для любого из Р существуют натуральные числа л2 и л3 такие, что уу у 2 \ап — а | <^е 2 ПРИ л1°бом п ^> л2 и \bn — b\<^ -jr~ при любом (ибо для b Ф 0 всегда ?>2 = | b |2^>0). Пусть п0 — наибольшее из чисел л,, л2 и л3. Тогда «я а | I anb—bna | (а„Ь — апЬ„) 4- {а„Ьп — при любом n^>n0. Таким образом, д) Пусть a^>b. Берём e = —^—^>0. Существуют натуральные числа Л] и л2 такие, что \ап — а\<^е при любом п^>щ и |й„ — С при любом л ^> л2. Пусть л0 — большее из чисел nt и л2. Если при некотором п^> п0 будет ая — ^л=^е> то Для такого л найдём: что невозможно. Стало быть, ап-—bn^>e при любом «^>л0. Пусть, обратно, ап — bn^0 при любом ге^>и0. Если бы было а<^Ь, то по доказанному существовали бы s^>0 и Л( такие, что bn — ап^>е^>0 при любом ге^>Л|. Беря любое п больше как я0, так и щ, получим: an^:bn и Ьп^>ап, что невозможно. Следовательно, а^Ь. Теорема доказана. аз*
196 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ. КОЛЬЦА И ПОЛЯ Если последовательность имеет предел, то её члены, прибли- приближаясь к этому пределу, должны сближаться между собой по мере роста их номеров. Дадим точное определение этого свойства после- последовательности. Определение 4. Последовательность \ап) элементов поля Р называется фундаментальной (или последовательностью Коша), если для любого элемента е ^> 0 из Р существует натуральное число я0 (зависящее от е) такое, что\ар — ад\<^в для любыхр и q, больших пй. Теорема 3. Всякая сходящаяся последовательность элемен- элементов поля Р является фундаментальной. Доказательство. Пусть \\тап = а. Для любого е^>0 из Р существует натуральное число п0 такое, что \ап — а\<^-^ при лю- любом п^>п0. Если тогда р^>п0 и q^>n0, то по свойству абсолют- абсолютных величин [§ 10, C)] найдём: т. е. последовательность {ап} — фундаментальная. Эта теорема даёт необходимый признак сходимости после- последовательности: для того чтобы последовательность была схо- сходящейся, 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 Ъп со свой- свойствами A). Легко видеть, что каждая из них будет фундаменталь- фундаментальной. Для любого рационального е существует натуральное л0 такое, что урй-<^е (§ 23, теорема 5). Тогда для любых р и q, где, напри- например, p^q~^>n0, получим: и аналогично этому \Ьр — д^ Если данная задача имеет решением рациональное число с, то с должно быть пределом обеих последовательностей \ап\ и {bn\. В самом деле, в случае отрезков с • AB — MN<^bn-AB, откуда с<^Ь„. Также an- AB^MN=c • АВ, откуда ап^,с. В случае кор- корней с = а, откуда an^c<^bn, так как из ап^>с следует a!<n^>ch-=a и из bn^c следует bkn =ssch = а, что противоречит построению
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 197 чисел ап и Ьп. Но из а„=5с<^?>„ следует, что для любого е существует пп такое, что уо^-<Се» и тогда при п^>пй будет: и аналогично Ьп — е|<^е, т. е. lim ап = lira ?л = с. Итак, каждый раз, как задача имеет решение, она решается пре- предельным переходом. Обратно, если, например, последовательность {ап\ имеет рацио- рациональный предел с, то и \\тЬп = с, причём число с решает данную задачу. В самом деле, из lira an — c следует а„ г? с =s ?>„ для любого п. Иначе при некотором «j будет anj^>e и при любом п~^>пх имеем: или же при некотором л2 будет Ъп <^с и при любом я^>я2 имеем: что противоречит определению предела. Но из мы видели, следует lira ап = lira Ъп = с. То, что число с решает поставленную задачу, будет для извле- извлечения корня следовать из более общей теоремы и притом сразу для всех действительных чисел. Здесь мы докажем, что если по- построенные в начале параграфа для рационального числа а)>0 и на- натурального числа k^>\ последовательности рациональных чисел \ап) и {Ьп\ имеют рациональный предел с, то сь = а. Предположим, что ck <^a. Так как lira?n = e, то по теореме 2, в) также lim b^ = ck. Следовательно, существует натуральное число пй такое, что | bkn — ск\<С <^а—ск при любом п^>п0. Но из Ъп^с>=.ап^0 следует ?*^ск. Поэтому откуда Ъип<^а, что противоречит построению числа Ъп. Так же доказывается, что не имеет места неравенство ск~^>а. Таким об- образом, ck = a, c = \/~a. Если рациональное число а ^> 0 таково, что не существует ра- рационального числа с, для которого ск = а (см. конец § 23), то по- последовательности {ап} и \Ьп\, построенные для этих а и А, не имеют предела в поле рациональных чисел, хотя являются фундаментальными. В случае отношения отрезков надо доказать, что если построен- построенные для отрезков АВ и MN последовательности рациональных чи- чисел {ап} и \Ьп) сходятся к рациональному числу с, то с и будет отношением эгих отрезков, т. е. с • АВ = MN. Пусть это не так,
198 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ тогда, например, с ¦ AB<^MN, или c-AB = MNl, причём отрезок MNX составляет часть отрезка MN. Как бы мал ни был отрезок NXN, по геометрической аксиоме Архимеда найдётся натуральное k такое, что k-NtN>AB. Но lOft>& [§ 23, C)] и 10* • Nfl^AB, откуда -<^NtN. Число ак определялось так, что ak-AB*=*MN<bk- AB, где Но из ak^c следует, что что невозможно ввиду bk-AB^> MN. Также придём к противоре- противоречию, предположив, что с- AB^>MN. Таким образом с-AB — MN. Если отрезки АВ и MN несоизмеримы, то их отношение не может выражаться рациональным числом, а потому построенные для от- отрезков последовательности рациональных чисел \ап\ и \Ьп\ не имеют предела в поле рациональных чисел, хотя и являются фундамен- фундаментальными. Итак, в поле рациональных чисел существуют фундаменталь- фундаментальные последовательности, не имеющие предела. Определение 5. Расположенное поле называется полным, если оно обладает следующим свойством: XII (аксиома полнот ы). Любая фундаментальная последо- последовательность элементов данного поля сходится, т. е. имеет пре- предел 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- расходящиеся фундаментальные последовательности рациональных чисел для несоизмеримых отрезков и для рационального числа, не являю- являющегося 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- последовательности, 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 нодполя Р' имеет место соотношение а-\-Ь = с, то эго соотношение по самому определе-
ПОЛЕ ДРЙСТВИТРЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 199 нию подполя (§ 8, определение 3) сохраняется и в поле Р. Обратно, если а-\-Ь = с в Р, причем элементы а, Ъ, с входят в Р, то и в Р будет а -\- Ъ = с. То же верно для отношения ab = с. Если поле Р расположено, то этим порождается расположение Р. Именно, счи- считаем а^>0 в Р тогда и только тогда, когда а^>0 в Р. Легко ви- видеть, что свойства расположения IX и X (§ 10, определение 1) будут в Р выполнены, т. е. Р будет расположенным полем. Такое свой- свойство 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 дчя 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- Понятия же данного параграфа, указанные выше, зависят от поля, в ко- котором данные элементы рассматриваются, и в эгом смысле эти понятия относительны. Так, отношение liman = a означает, что для любого элемента е^>0 из поля Р существует натуральное число я„ такое, что \ап — а\<^е при любом п^>п0. Определение фунда- фундаментальной 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- последовательности \ап\ и а входят в подполе Р поля Р, то смысл отно- отношения Нтпап = а и свойство фундаментальности последовательности \ап\ в Р и в Р будут совпадать. Ясно лишь, что из выполнения 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- действительно так. Пусть Р—поле рациональных функций (т. е. алгебраических f(x) ¦» дробей) —гЛ, где f(x) и g(x)— многочлены с рациональными коэф- ^ 'х' / (х) фициентами. Считая функцию -~ -'- положительной, если старшие S(x) 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 = —-.— ^> 0, откуда п-\<^х. Итак, х больше всех рациональных чисел. Если рационально, то и а~'^>0 рационально и а~* <^х. Умножая на а 1 1 — ">0, найдём— <^а. Итак, — меньше всех положительных рацио- X X ^ X нальных чисел. Поле Р содержит подполе Г рациональных чисел. В Г последовательность/—}, « = 1, 2, 3, ..., сходится к числу 0 и, Уп\ 11.1 следовательно, фундаментальна, но в поле Р будет — = — ^> при любом к, и 0 уже не будет пределом этой последовательности.
—. Легко видеть, что в 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 ^ q число I1-1 >о \р ч -^ и рационально. Таким образом поле Р последовательность рациональных чисел \ап) фундаментальна тогда и только тогда, когда она становится стационарной, т. е. существует рациональное а и «0 такие, что ап = а при лю- любом п^>п0. Тогда, очевидно, \\тап = а. Таким образом, перенося операцию предельного перехода с поля Р на подполе Г, мы по- получим полное поле, хотя Г неполно в смысле данного выше опре- определения 5. Тем не менее в одном случае введенные в этом параграфе понятия остаются абсолютными. Именно: Теорема 5. Для того чтобы понятия предела и фундамен- фундаментальной последовательности в поле Р совпадали с теми owe поня- понятиями 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<^с 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<^с на —^>0, найдём—<^—, т. е. 0<^ — <^Ь, где с ^ а ^ с j Ь = любое рациональное положительное число. Очевидно, после- последовательность {—\, п=1, 2, 3, ..., рациональных чисел в поле Г сходится к числу 0 и потому фундаментальна. Но та же последо- последовательность в поле Р не является фундаментальной и потому не имеет предела. В самом деле, берём: е =— ~]>0. Тогда при р j^ q С ' 1 1 будет: вом е. Стало быть не существует числа п0 со свойст- свойстве при любых pug, больших пй. Необходимость Р Ч доказана. Пусть теперь поле Р архимедовски расположено. Покажем неза- независимость свойства последовательности \ап\ быть сходящейся или ') Из доказательства этой теоремы следует, что архимедовость располо- расположения поля Р необходима даже для того, чтобы понятия предела и фунда- менталыюй последовательности совпадали в поле Р и содержащемся в пем иоле рациональных чисел Г. Другими словами, если фундаментальные и сходящиеся последовательности в поле Г остаются такими же и в поле Р, то поле Р архимедовски расположено. Этим мы воспользуемся в начале сле- следующего параграфа.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 201 фундаментальной от подполя Р, содержащего элементы ап и (для случая сходимости) предел a = \iman. Из выполнения этих свойств в Р следует их выполнение в Р'. Пусть, например, \\тап = а в Р. Покажем, что то же будет и в Р. Берем любой элемент е^>0 из Р. Так как Р архимедовски расположено, то существует натураль- натуральное в ^>—, откуда 0<^ — = е'<^е. Число е'~>0 входит в любое подполе поля Р, а следовательно, и в Р. Так как в Р даноПта„ = а, то существует натуральное л0 такое, что \ап — a|<V<^e при лю- любом в^>и0. Это означает, что liman — a также и в поле Р. Тео- Теорема доказана. Определение 6. Полное, архимедовски расположенное поле называется непрерывным. В непрерывном поле задачи об отношении отрезков и извлече- извлечении корня из положительного элемента всегда разрешимы. К задаче об извлечении корня мы еще 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 \аП\ и \ЬП], постро- построенные выше для данных отрезков АВ и MN, были бы фундамен- фундаментальными 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- определению можно принять за отношение данных отрезков, т. е. считать, что MN:AB = c или MN=c-AB. Это новое определение отноше- отношения в случае соизмеримых отрезков согласуется, как выше пока- показано, с прежним определением (см. конец § 23). Но, в то время как прежнее определение годилось лишь для соизмеримых отрезков, новое определение дает 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- рассмотрели эту задачу лишь для иллюстрации важности понятия непре- непрерывного поля и не можем остановиться на этой геометрической задаче подробнее. Заметим уже без доказательства, что определенное выше отно- отношение отрезков обладает всеми нужными свойствами. Именно, для любых отрезков АВ и CD и любых элементов с^>0 и d~^>0 непре- непрерывного поля Р будет: а) из c<^d следует: с- AB<^d- АВ; б) {c-\-d)AB = c-AB-\-d-AB; в) Далее, для любого отрезка АВ и любого элемента с^>0 из Р суще- существует отрезок MN такой, что MN:AB = c. К задаче о длине отрезка сводится задача о длине окружности. Мы строим две последовательности правильных многоугольни- многоугольников (вписанных и описанных) путем удвоения числа сторон. Зная
202 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ отношение отрезков, мы можем найти периметры ап и Ьп и-го вписанного и и-го описанного многоугольника. Известными из школы рассуждениями можно показать, что al<^a.i<^-. ¦ и Ь1^> >&„>... Далее ап<Ьп и lim(bn — ап) = 0. Отсюда легко вывести, что обе последовательности, {ап \ и { Ъп }, 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 нулем и длиной окружности с и, обратно, для каждого элемента с' поля Р такого, что 0<V<^c, можно найти дугу данной окруж- окружности 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- определено расположение и любая фундаментальная последовательность имела бы предел. При этом мы хотим, чтобы операция предель- предельного перехода, не всегда выполнимая в Г для фундаментальных после- последовательностей, в новом поле D для тех же последовательностей из Г была уже выполнима. Стало быть, фундаментальные последо- последовательности из Г должны оставаться фундаментальными и в D. Это означает, что D должно быть полным и архимедовски распо- расположенным полем (§ 24, теорема 5). Иными словами, D должно быть непрерывным полем. Как и в случае целых (§ 20) и рацио- рациональных (§ 22) чисел, мы ищем минимальное расширение с нуж- нужными 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- минимальности. Так, мы приходим к 'определению: Определение 1. Полем действительных чисел называется непрерывное поле D, содержащее в качестве подполя поле рацио- рациональных чисел Г. Элементы поля D называются действительными числами. Доказательство существования и единственности поля D, удо- удовлетворяющее этому определению, проходит аналогично случаю кольца целых чисел (§ 20) и поля рациональных чисел (§ 22). Нач- Начнем с доказательства единственноеги.
ПОЛЕ ДЕ^СТПИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 203 Теорема i. Расположенное поле Р, содержащее поге рацио- рациональных чисел Г1), архимедовски расположено тогда и тоаько тогда, когда каждый элемент поля Р равен пределу последова- последовательности рациональных чисел. Доказательство, а) Пусть элемент а поля Р равен пре- пределу последовательности рациональных чисел \ап\. Тогда сущест- существует k такое, что \ak — а\<^1, откуда Так как 1 -f-1 ak I — рациональное число и поле рациональных чисел архимедовски расположено, то существует натуральное число п такое, что 1 -f- ак\<^п. Тогда а<^п, т. е. поле Р архимедовски расположено (§ 10, ХГ). б) Пусть поле Р архимедовски расположено. Тогда для любого элемента а из Я и любого натурального числа п существуют нату- натуральные числа т1 и гщ такие, что '«1- -п >« и Щ • й> — а> откуда (—т2) • <^а. Следовательно множество А тех целых чисел I, для которых /-—^а, ограничено сверху числом mv и непусто, ибо содержит целое число —/и2. Поэтому множество А содержит наибольшее число т (§ 21, теорема 5). Тогда, очевидно, — ^ а <Г— —. Вычтя --из обеих частей неравенства, найдем: 0=?а <^ -. Положим — = ап и покажем, что liman = a. Для любого е^>0 из Р существует натуральное во^> —, откуда \а„ — а\=а—а„<Г -<Г ~<Ге при любом п^>и0. Это и значит, что liman = a в поле Р. Теорема 2. Все поля действительных чисел изоморфны, т. е. поле действительных чисел определено однозначно до изоморфизма. Точнее, если Dt и D% — два поля действительных чисел, то суще- существует только одно изоморфное отображение Dv на D.2, сохра- сохраняющее отношения порядка. При этом изоморфизме рациональ- рациональные 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 остается 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- рациональными элементами '). Доказательство. Строим отображение /поля Dt в поле ?J следующим образом. Пусть dv —любой элемент поля Dt. Так как Dt архимедовски расположено, то по теореме 1 dl = \\man с рацио- рациональными ап. Таким образом, последовательность \ап] фундамен- фундаментальна в Dlt а потому и в его подполе Г. Так как r<^D2 и D2 архимедовски расположено, то последовательность \ап\, фундамен- фундаментальная в Г, будет фундаментальной и в D2 (§ 24, теорема 5). Так как /J полно, то \iman—d2 в D.2. Мы положим /(rfj) = rf2. Покажем, что элемент rf2 не зависит от выбора последователь- последовательности рациональных чисел \ап\. Если еще lira bn=d, с рациональ- рациональными Ьп, то liman=lim&n, откуда Hm(an — bn)~0 [§ 24, тео- теорема 2, а)] в Di3 а следовательно, в Г. Рассуждая, как выше, мы найдем, что Нт(а„ — &п) = 0 вВ, и Нт ап = Ит bn = rf2. Если dl — рациональное число, то liman = {?If где an = dl при любом п. Таким образом, /(rfj) = rfj, т. е. отображение / оставляет на месте рацио- рациональные числа. Если cy^dv и c1 = \iman, dx = \\vs\bn, то lim(an — Ьп)ф0 и lim ап ф lim Ъп в ?J, т. е. /(c,)^/(rfj). Итак, отображение / является взаимно однозначным отображением Dt в D2. Оно зависит от определения предела в Dt и Z32, а потому зависит от отноше- отношений порядка в этих полях. Покажем, что / есть изоморфное отображение Dt в D2- Надо показать, что для любых элементов ct и dv из Dt будет: f(cl+d1)=f(cl)-\-f(d1), f(c1d1)=f(c1)/(d1). Это легко следует из теоремы 2, б), в) § 24, именно, если c1 = liman, rfj=lim ?n, то, применяя определение отображения/, имеем: /(с, + dj =/ (lim an + lim &„) =/ [(lim (an + bn)\ = = lim f(an + bn) = lim [/(an) +/(&„)] = = Hm/(an) + lim/(&n)=/(lim an и аналогично доказывается второе равенство. Покажем, что отображение / сохраняет отношение порядка. Пусть cl<^dl в поле Dt и c, = liman, di = lim#n. Тогда сущест- существует и0 такое, что ап<^Ьп при любом п~^>п0 [§ 24, теорема 2, д)] и liman==Slim&n в Dv т. е. f(ct) =^f(d1). Но из с, ф dx следует:/(с,) ф/{A{). Таким образом,/(c,X/(rfi). Покажем, что / является единственным изоморфным отображе- отображением ?>! в D2, 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- рациональных элементов поля D2, причём рациональное число г перейдёт в элемент re, где е — единица поля D2 [§ 23, теорема 2]. Но D.2 содержит Г, т.е. e=l, re = r • \ — г. Следовательно, g(r) = r для любого рационального г. Так как отображение g отлично от /, то существует элемент dv из Dt такой, что ai—f(d1)^g(dl) = by Найдем рациональное число с, лежащее между а2 и Ь.2. Пусть, напри- например, а2<^&2. Рассуждая, как и в доказательстве теоремы 1, пункт б), найдем сначала натуральное и такое, что -<С?а — о.~г, а т _, ^ т +1 -с т-\-\ затем целое число т такое, что -=Sa2<^——. Ьсли с==—!—, 11 ft Tl то получим: Так как с = /(с) и / по доказанному сохраняет отношения порядка, то из f(dl) = ai<^c следует: dv<^c. Так как g(c)=c и g также сохраняет порядок, то что противоречит построению числа с. До сих пор мы не использовали полноты поля Dt. Стало быть, все доказанное выше верно для любого архимедовски расположен- расположенного поля Dv Нам осталось доказать, что построенное отображе- отображение / является отображением поля D( на всё поле D2. Для этого нужна полнота поля Dt. Надо для любого элемента d2 из D.2 найти элемент dl из Dt такой, что f(di) = d^. Так как D2 архимедовски рас- расположено, то по теореме 1 d2 = liman с рациональными ап. После- Последовательность {ап}, фундаментальная в D2, будет фундаментальной в TczDv, а следовательно, и в поле DjCzT. Т"ак как D1 полно, то существует dt~\iman в Dt. По определению / тогда/(rfj) = rf2. Теорема доказана. Теорема 3. Любое архимедовски расположенное поле Р изо- изоморфно некоторому подпалю поля действительных чисел D. Существует лишь одно изоморфное отображение Р в D, сохра- сохраняющее отношения порядка. В частности, поле Р только одним способом, а именно тождественно, может быть изоморфно и с сохранением порядка отображено само на себя'). ') В отличие от теоремы 2 условие о сохранении порядка здесь опустить нельзя. В самом деле, пусть Р—поле_всех чисел вида a-\-b\f2 с рациональ- рациональными а и Ь. Отображение a-\-b~\f2*—-а — Ъ \Г 2 изоморфно отпосительно сложения и умножения и отлично от тождественного. Но оно не сохраняет порядка, заданного в поле Р, как подполе поля действительных чисел, ибо ^ a 1^
206 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Доказательство. Поле Р изоморфно и с сохранением порядка отображается на расположенное поле Q, содержащее поле рацио- рациональных чисел. Так как Р архимедовски расположено, то то же верно для Q. Для поля Q теорема получается попутно при доказатель- доказательстве теоремы 2, если заменить там D, на Q, так как везде, кроме последнего абзаца доказательства, мы не пользовались полнотой поля Dv В силу изоморфизма Р и Q теорема 3 верна также для поля Р. Итак, если поле действительных чисел D существует, то только одно (до изоморфизма). Переходим к доказательству его существования. Как и в случае целых и рациональных чисел, достаточно построить одно поле (одну интерпретацию поля), удовлетворяющее определению 1. Существует несколько приемов построения такого поля. Мы приведём построение Кантора. Конструкция одного из изоморфных полей действительных чи- чисел подсказывается теоремой 1. Если D — искомое поле, то каждый элемент поля D равен пределу фундаментальной последовательности рациональных чисел, и любая такая последовательность должна иметь предел в D в силу непрерывности поля. За исходный элемент построения поля действительных чисел D мы принимаем фундаментальную последовательность рациональных чисел at, a2, а3>.. - = { ап \, т.е. последовательность, обладающую таким свойством: для любого рационального числа е^>0 существует натуральное число щ такое, чго \ар — а9|<^е при любых р и q, больших п0 (§ 24, определение 4). Пусть М — множество всех таких последовательностей. Определяем отношение эквивалентности, сло- сложение и умножение последовательностей из М так, чтобы им соот- соответствовали равенство, сложение и умножение элементов искомого поля Д равных пределам этих последовательностей [§ 24, теорема 2, а), б), Bjjj, а именно, \ап}^{Ьп\ A) тогда и только тогда, когда lim(an — bn) = 0; ; B) Надо, конечно, доказать, что B) и C) действительно определяют операции во множестве М, т. е. что последовательности в правых частях этих равенств снова являются фундаментальными. В случае сложения берем рациональное число е^>0. Так как {ап} и {Ъп \ фундаментальны, то существуют натуральные
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 207 числа и, и щ такие, что \ар — ад\<^-^- при любых р, <]'^>п1 и \Ьр—bq\<^-^ при любых р, <7^>и2. Если в0— большее из чи- чисел Bj, Ло, ТО | (ар при любых p,q^>n0, т. е. последовательность \а„-\-Ьп}— фунда- фундаментальная. В случае умножения сначала докажем, что любая фундаменталь- фундаментальная последовательность {сп \ ограничена (§ 24, определение 2). В самом деле существует и0 такое, что \ср— сд\<^1 при любых «о- Тогда I Сп I = I ( Сп — cn0+l) + Cn0+l I *? К — С«о+1 I + I 4+1 ' < ! + I С«»+1 I при любом п~^>п0. Беря рациональное число с, большее всех чисел |е, |, |са„..., |с„0|, Ico+ij-j-l (например, сумму всех этих чисел плюс 1), получим |с„|<^с при любом в. Итак, существуют рациональные числа а и Ъ такие, что \ап\<^а и \bn\<^b при любом в. Пусть дано рациональное число ^ Существуют натуральные числа п1 и и2 такие, что \ар — ag2 при любых р, q^>nl и \bp — bq\<^~- при любых р, <7^>п2. Если в0 — большее из чисел п1г в2, то I apbp — aqbq | = | (apbp — apbQ) + (apbq — aqbq)\ ^ при любых p, q^> n0, т. е. последовательность { anfin } — фундамен- фундаментальная. Последовательность {ап\ из 7И назовём положительной, если существуют рациональное число е^>0 и натуральное число в0 такие, что а„^>е при любом п^>п0. Отношение эквивалентности последовательностей A) обладает основными свойствами равенства (§ 19). Именно: 1) {ая]~\ап\, ибо llm(а„ — а„) = 0. 2) Если {ап\~ {Ьп\, то \Ьп}~{ап\, ибо если Нт (а„ — Ьп) = 0, то Нт(й„ —а„) = 0 в силу |а„ —й„| = |&„ —а„|. 3) Если { а„ } ~ { &„ I и { &„ } ~ { с„ }, то { ап} — { сп }, ибо если lim(an — bn) = 0 и lim(iB — сп) = 0, то также Нт (а„ — сп) = lim [(an — Ьп) + (*„ — сп)] = [§ 24, теорема 2, б)].
208 понятии множества, группы, кольца и поля По теореме из § 19 это отношение определяет разбиение мно- множества М на классы эквивалентных последовательностей. Будем обозначать эти классы малыми греческими буквами а, р, у, 8,... Определение 2. Пусть Do есть множество всех классов, эквивалентных последовательностей множества М. Суммой (про- (произведением) двух классов а и [3 назовём тот класс ос —|— р (соот- (соответственно а[3), который содержит сумму (произведение) последо- последовательности класса а и последовательности класса C. Класс а назовём положительным, если последовательность этого класса положительна. Покажем, что сумма, произведение и свойство класса быть поло- положительным не зависят от выбора представителей данных классов. Пусть Тогда откуда lim[(an-l \im(an — b -cn)-(bn + n) = 0 4I = ' и и lim \cn}~{dn\. \im(cn — dn) = 0, (an — bJ + llm(cn — dJ = O, т. е. {an-\-cn}~\bn-\-dn}. Так как последовательность { сп } — фундаментальная, то она ограничена. Поэтому существует рациональное число с^>0 такое, что сп\<^с при любом и. Пусть теперь дано рациональное число е^>0. Существует и0 такое, что \ап — ?„|<С" ПРИ любом п^>п0. Тогда с при любом п~^>щ. Следовательно, \\т(апсп — Ьпсп) — О, т. е. Применяя доказанное и очевидную коммутативность умножения последовательностей, находим: Наконец, если последовательность { ап } положительна и { ап } ^^ 1~^{Ьп], то существует рациональное е^>0 и натуральное пг такие, что {а„}^>е при любом n^>nv Далее, для данного е существует п0 такое, что \ап — Ьп |<^ 4- при любом и ^> и2. Если п0 — большее из чисел «j, и2, то, применяя свойство абсолютных величин ja-ft|^||c|-|ft|| [§ 10, C)], находим
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ " 209 при любом в^>и0, т. е. последовательность {Ъп} также положи-» тельна. Итак, определение 2 действительно вводит во множество Do опе- операцию сложения и умножения, и положительность класса из Do опре- определяется любой из его последовательностей. Теорема 4. Множество DQ при операциях сложения и умно- умножения и определении положительности, указанных в определе- определении 2, является непрерывным полем (§ 24, определение 6). Доказательство. Нужно проверить выполнение в Do всех свойств I—XII (см. § 7, определение 1, § 8, определение 1, § 10, определения 1 и 3, § 24, определение 5). Так как операции B) и C) над последовательностями определены через операции над их элементами, то из выполнения свойств кольца I—VI для рациональ- рациональных чисел следует их выполнение для множества М, а потому и для множества Ьо. Итак, М и Do — кольца. Выясним, какой смысл имеют в кольце Do нуль и противополож- противоположный элемент. Очевидно, что нулем в Do будет класс, содержащий фундаментальную последовательность {0}=0, 0, 0, Мы его обо- обозначим через @). Этот класс состоит из всех последовательностей \ ап }, эквивалентных {0}, т. е. таких, для которых liman = 0. Мы будем называть их нулевыми последовательностями. Любая после- последовательность класса @) эквивалентна { 0 } и потому нулевая. Обратно, любая нулевая последовательность, как сходящаяся, фундаментальна и эквивалентна {О}, а потому принадлежит классу @). Класс —а, противоположный классу а, содержащему последова- последовательность { ап }, содержит, очевидно, последовательность { — ап }, противоположную {ап}, и все последовательности, эквивалентные {—ап }. Из ап — Ьп = —[(—а„) — (—Ьп)} легко следует, что если { ап } <-— { Ьп }, то ] — ап } ~ { — Ъп \, и обратно. Таким образом, класс —а состоит из всех последовательностей, противоположных последовательностям класса а. Свойство VII поля уже не следует, как выше I—VI, прямо из аналогичного свойства чисел. В самом деле, если не все члены после- последовательности \ап\ из М равны нулю, то \ап\ отлична от после- последовательности {0}, являющейся нулём кольца М. Но если ещё а, = 0, то уравнение { ап }•{ хп } = { Ъп } при ЬуфО неразрешимо. Следовательно, кольцо М не является полем. Тем не менее Do бу- будет полем. Пусть аир — классы из Do, причем а ¦ф @). Берём { ап \ из а и { Ъп} из р. Существуют рациональное число а^>0 и нату- натуральное пх такие, что \ап\^>а при любом и^>иг Допуская про- противное, для любого е^>0 найдём р такое, что \ап — a^K^ ПРИ любых п, q^>p. Затем берём q^>p такое, что \ад\<С~2' Т°гда получим К 1 = 1 К — aQ) + ag\^\an — a,l + l 14 Эыццклоиедия, ни. 1.
210 понятия множества, группы, кольц\ и поая при любом п~^>р. Это значит, что liman = 0. Но это невозможно, так как { ап } принадлежит классу а ф @). Без ограничения общности можно считать ап^0 при любом в. В самом деле, в силу |ап|^>а^>0 при любом n^>nlf лишь конеч- конечное число членов ап (при в =? щ) может равняться нулю. Заменяя их любыми рациональными числами, отличными от нуля, получим, очевидно, последовательность, эквивалентную {ап \, т. е. принадле- принадлежащую классу а и не имеющую членов, равных нулю. Покажем, что последовательность { сп } = \ — \ является фунда- ментальной. Последовательность {Ьп} как фундаментальная ограни- ограничена, т. е. существует рациональное число Ъ такое, что \Ьп\<^Ъ при любом п. Пусть дано рациональное е^>0. Так как {ап} и {Ъп} фундаментальны, то существуют натуральные пг и п% такие, что \ар — aq\<i^2F прИ любых Р> 4^>пъ и \ЬР — Ьд\<^^Т ПРИ любых р, д~^>п3. Пусть п0 — наибольшее из чисел щ, в8 и л3. Тогда Ьрпд прЬд bpCLg — apbp | Gpbp — gg^g , Ы В ЦБ при любых p, q^>n0] таким образом, последовательность {jcn} = = ¦!——}¦ действительно фундаментальна. Пусть y — класс, содержащий { сп }. Из { ап } • { сп \ = {Ьп\ сле- следует ау = р, чем свойство VII доказано. Свойство VIII выполнено, ибо Do содержит, очевидно, более одного элемента. Докажем выполнение в Do свойства IX. Надо показать, что для любого класса а имеет место один и только один из трёх случаев: а по- положителен, — а положителен, а = @). Пусть ни а, ни —а не по- положительны. Берём последовательность {ап\ класса а и рациональное число е^>0. В силу фундаментальности {ап} существует в0 такое, что \ар — a9|<^-jj-npH любых р, q~^>n0. Так как а не положителен, то существует г^>п0 такое, что аг =^-^. Так как—а не положителен и содержит последовательность {—ап}, то существует s ^> в0 такое, что—as^-^-. Тогда при любом в^>и0 будет одновременно
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ. 211 Поэтому |а„|<^е при любом п^>п0, т. е. lima,, = 0, отку- откуда а=@). Итак, один из трёх указанных выше случаев обязательно имеет место. Если класс а положителен, то существует рациональное а^>0 и п0 такие, что ап^>а, —ап<С_—а при любом л^>л0. Этим исклю- исключается как lim ап==0, т. е. а = @), так и положительность класса — а. Аналогично показывается, что положительность — а исключает два других случая. Этим уже доказано, что все три случая несовместимы, т. е. свойство IX выполнено. Свойство X выполнено, так как сумма и произведение по- положительных последовательностей, очевидно, снова положи- положительны. Итак, доказано, что Do — расположенное поле. Считая а^>р, если а—р положительный класс, введём в Do порядок, при котором положительные элементы и только они будут больше нуля (§ 10, теорема 1). Легко видеть, что единицей поля Do будет класс, содержащий последовательность { 1 } = 1, 1,1, и все последовательности { ап }, ей эквивалентные, т. е. такие, для которых lim ая=1. Будем обо- обозначать этот класс через A). Покажем, что в Do выполнена аксиома Архимеда XI. Пусть класс а содержит последовательность {ап}. Выше мы показали, что фунда- фундаментальная последовательность ограничена. Поэтому существует ра- рациональное число а такое, что \ап\<^а и потому а — ая~^>0 при любом п. Так как в поле рациональных чисел аксиома Архимеда выполнена (§ 23, теорема 3), то существует натуральное число k^>a-\~l. Тогда k — а„^>1 при любом п и, следовательно, класс k-(Y) — а положителен, т. е. ?-A)^>а. Отсюда для поля Do вы- вытекает XI. Наконец, покажем, что в Do выполнена аксиома полноты XII (§ 24, определение 5). Заметим сначала, что если класс а содержит после- последовательность {ап \, где а„^0 при любом п, большем некоторого натурального числа nQ, то а^@), так как, очевидно, неравенство а<^@) невозможно. Поэтому, если а содержит [ап] и р содержит { Ъп }, то из ап^Ъп при любом л^>л0 следует а^р. Аналогично тому, как классы, содержащие последовательности {0 } и { 1 }, мы обозначили через @) и A), мы теперь для любого рационального числа а обозначим через (а) класс, содержащий последовательность {а} = а, а, а,... Такие последовательности, все члены которых равны, мы будем называть стационарными. Очевидно, что соответ- соответствие а*—> (а) является изоморфным отображением поля Г рацио- рациональных чисел на множество Г' всех классов, содержащих стацио- стационарные последовательности. Следовательно, Г' также является полем (§ 9, теорема 1). В поле Do, как в любом архимедовски расположенном поле, определены понятия предела и фундаментальной последовательности,
212 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦЛ И ПОЛЯ не меняющие смысла при переходе к подполю (§ 24, определения 3 и 4, замечание и теорема 5). Покажем, что если класс а содержит последовательность { ап }, то lim (а„) = а. Пусть е^>@) — элемент поля Do, содержащий по- последовательность { еп}. Тогда существует рациональное число е^>0 и натуральное т такие, что еп^>е при любом п^>т, т. е. е^=(е). Берём рациональное число е' такое, что е^>е'^>0 (например, е1 = ^у). Тогда (е1) <^ (е) =s е. Так как последовательность {ап} фун- фундаментальна, то существует натуральное п0 такое, что'ар — б ^ П ^ б у ур 0 р д^ при любых р, <7^>л0. Поэтому для данного л^>л0 будем иметь: ар — an<V и ап — ag<V при любых р, д^>п0. Переходя при дан- данном п от последовательностей к содержащим их классам, по дока- доказанному выше получим: « — (<*„) О') и (аа) — а <(е'), Откуда \(ап) — а|<^(е')<^е при любом п^>п0; это и означает, что lim (а„) = а. Мы доказали, что любая фундаментальная последовательность элементов (а„) подполя Г' имеет предел в Do. Отсюда уже нетрудно вывести полноту поля Do. Пусть { ап \ — любая фундаментальная по- последовательность элементов поля Do. Так как по доказанному каж- каждый класс ап равен пределу классов из подполя Г', то для данного п [ввиду(—] ^>@)] существует элемент (ап) из Г' такой, что | а п — (ап) | <^ (— 1 • Покажем, что последовательность {(ап) } фунда- фундаментальна. Пусть е ^> @) — любой элемент Do. Как было показано выше, из аксиомы Архимеда вытекает, что существует рациональное число 3 1 е^>0 такое, что (е)<^е. Существует натуральное лх^>— или <^ <С~я • Далее> в СИЛУ фундаментальности { ап } существует натуральное л2 такое, что \ар — а9|<4 -5-] при любых р,д^>пг- Если п0 — большее из чисел пг и п2, то при любых р, д^0 Из изоморфизма полей Г и Г' (сохраняющего, очевидно, отноше- отношения порядка) вытекает, что последовательность {ап \ рациональных чисел сама фундаментальна. Пусть а — класс из Do, содержащий {ап\. Выше било доказано, что Нт(а„) = а. Но Нт[(ап)—^„] —0.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 213 В самом деле, для любого е^>0 из Do берём рациональное е]>0 такое, что (е)<^е, и натуральное пп такое, что —<Се- Тогда / 1 \ "° \(ап)—а„К у— \ <(с)<е при любом я>я0. Таким образом, по- последовательность {а„} также сходится и притом lim а„ = Iim (ап) = а. Этим доказано свойство XII, а значит, и теорема 4. Поле Do с точностью до изоморфизма и является полем дей- действительных чисел. Однако оно не содержит поля рациональных чисел Г, от которого мы отправлялись при его построении. Эле- Элементами поля D являются классы эквивалентных фундаментальных последовательностей рациональных чисел, но не сами рациональ- рациональные числа. Но выше мы видели, что Do содержит подполе Г' классов, со- содержащих стационарные последовательности, изоморфное Г. Поэтому существует поле D, содержащее поле Г в качестве подполя и изо- изоморфное (относительно сложения и умножения) полю D (§ 9, тео- теорема 2). Перенесём отношения порядка с Do на D при помощи дан- данного изоморфного отображения / поля D на Do. Именно, элемент d поля D будем считать положительным, если соответствующий ему элемент f(d) = d0 поля Do положителен. Тогда поле D будет рас- расположено, и данный изоморфизм / сохраняет отношения порядка. Порядок D порождает порядок его подполя Г, совпадающий с опре- определённым прежде для рациональных чисел, ибо поле Г вообще до- допускает единственное расположение (§ 23, теорема 1). При изомор- изоморфизме D и Do поле Г изоморфно отображается на некотором под- подполе Г" из Do. Но так как Г изоморфно Г и Г допускает единственное изоморфное отображение в Do (§ 23, теорема 2), то Г" = Г', и при изоморфизме D и Do рациональному числу а из Г соответствует класс (а) из Г'. Из сохранения отношений порядка при изоморфизме D и Do сле- следуют для поля D: сохранение всех свойств расположения, в част- частности выполнение аксиомы Архимеда, совпадение фундаменталь- фундаментальности и сходимости последовательностей и полнота. Стало быть, из непрерывности поля Do следует непрерывность поля D. Итак, поле действительных чисел D построено. Его элементами, т. е. действительными числами, являются, во-первых, все рациональные числа и, во-вторых, классы эквивалентных и не имеющих рационального предела фундаментальных последовательностей рациональных чисел. Из свойств поля Dn вытекает, что любая фундаментальная по- последовательность { ап} рациональных чисел имеет своим пределом в D либо рациональное число, либо тот класс, которому прина- принадлежит данная последовательность { ап }.
214 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ § 26. Свойства действительных чисел Поле действительных чисел D обладает всеми свойствами рас- расположенных полей, доказанными в главе II. Так, в этом поле от- отсутствуют делители нуля (§ 7, определение 2 и теорема 2, § 8, теорема 1). Имеют смысл понятия положительного и отрицательного чисел (§ 10, определение 1) и вводится порядок, при котором нуль меньше всех положительных и больше всех отрицательных чисел (§ 10, теорема 1). Справедливы закон монотонности и обычные пра- правила оперирования с неравенствами (§ 10, теоремы 2—4). Квадрат любого числа, кроме нуля, положителен (§ 10, теорема 7). Имеет смысл понятие абсолютной величины (§ 10, определение 2), при- чём абсолютная величина обладает обычными свойствами и верны обычные правила сравнения и оперирования над членами через срав- сравнение и оперирование над их абсолютными величинами (§ 10, тео- теорема 8 и следующие за ней замечания). Действительные числа, не являющиеся рациональными, называются иррациональными. Переходим к задаче об извлечении корня из любого действи- действительного числа. Решение этой задачи мы получим, рассмотрев го- гораздо более общую задачу о нахождении значения аргумента, при котором непрерывная функция принимает данное значение. Понятие о непрерывной функции, связанное с понятием предела последовательности, играет основную роль во всём математиче- математическом анализе. Общее понятие функции нам уже известно (§3, определение 1). Здесь мы будем рассматривать лишь функции, связанные с полем действительных чисел. Определение 1. Действительной функцией (или функцией действительного переменного) y=f(x) (или короче /), заданной на множестве X действительных чисел, называется соответствие, сопоставляющее с каждым числом х множества X одно определённое действительное число _у=/(дг). Число х называется значением аргумента, а у — значением функции при данном значении аргу- аргумента х (или в точке х). Всюду в этом параграфе под функциями мы, не оговаривая этого, будем понимать действительные функции. Определение 2. Функция y = f(x), заданная на множе- множестве X действительных чисел, называется непрерывной в точке х0 множества X, если для любого действительного числа е ^> 0 суще- существует действительное число 8^>0 такое, что из \х — дгп|<^8 следует \f(x)—/(jco)|<^e для любого числа х множества X. Функ- Функция y=f(x) называется непрерывной на множестве, если она непрерывна в каждой его точке (т. е. для любого числа х0 из X). Связь понятия непрерывности функции с понятием предела опре- определяется теоремой:
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 215 Теорема 1. Функция f, заданная на множестве X, тогда и только тогда непрерывна в точке лг0 из X, когда из Итлг„=.?е0 л -»со следует Нт/(дг„) =f(x0) для любой последовательности {хп} П —* со множества X. Функция f (x) тогда и только тогда непрерывна на множестве X, если из Птдг„ = лг0 следует Нт/ (дг„)=/ (х0) для «->со п-**я любого числа хл из X и любой последовательности {х„} чисел множестза X. Доказательство. Достаточно, очевидно, доказать часть тео- теоремы, относящуюся к непрерывности в точке. а) Пусть f(x) непрерывна в точке х0 и Итдгп=лг0. Берём лю- любое число е^>0. По определению непрерывности существует число 8>0 такое, что из \х — лго|<[8 следует \f(x)—/(лго)|<|едля любого х из X. По определению предела (§ 24, определение 3) для этого числа 8 существует натуральное число п0 такое, что \хп — дго|<3 при любом л^>л0. По выбору числа 8 отсюда следует, что !/(-?„)—f(x0) | <^ е при любом п ^>л0. По определению предела это значит, что lim/(*„)=/(*„). П -г СО б) Пусть Ит/(лг„) = /(л-0) для любой последовательности {хп} п —* со из X. Если функция f(x) не является непрерывной в точке х0, то существует число е^>0, для которого нельзя найти числа 8 с тре- требуемым в определении 2 свойством. Иными словами, при выбран- выбранном таким образом е для любого числа 8^>0 существует число х множества X такое, что \х — х0 |<[ 8, но \f(x)—/(лго)|^:е. По- Поэтому для любого натурального числа п существует число хп из X такое, что f(x0)\^e B) при любом п. Так как поле действительных чисел по определению архиме- архимедовски расположено (§ 25, определение 1), то для любого действи- действительного числа е0^>0 существует натуральное ло^>—.ТогдаизA) 11 Е° находим I хп — х0 | < — <—<е0 при любом я>я0, т. е. Шхп = = х0. По условию тогда также Нт/(лг„)=/(лг0), что, очевидно, про- противоречит B). Таким образом, f(x) непрерывна в точке х0. Определим сумму, разность, произведение и частное двух фун- функций /j (х) и /2 (лг), заданных на множестве X, как функцию, сопо- сопоставляющую с каждым числом х из X соответственно сумму, разность, произведение и частное значеаил данных функций в точке л", т. с.
216 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ fix) равна соответственно 4 Л (¦*)-/» С*). /,М-ЛD для любого числа х из X (в случае частного предполагается, что /2 (дг) ^t 0 для любого х из X). Из теоремы 1 и свойств предела [§ 24, теорема 2, б), в), г)] непосредственно следует Теорема 2. Сумма, разность и произведение двух функций fx it fv непрерывных на множестве X, также непрерывны на мно~ окестве X. Частное функций fl и /2, непрерывных на множестве X, есть функция, непрерывная на множестве X тех чисел х из X, для которых /2 (х) ф 0. Рассмотрим примеры непрерывных функций. Пример 1. Функция f(x) = xk для любого целого числа k^O определена и непрерывна на множестве всех действительных чисел. В самом деле, при k = 0 функция /(дг) = 1 при любом х и непре- непрерывна как любая константа, ибо | f(x)—f(-X0) | =0; очевидно, непрерывна и функция f(x)=x. Применяя теорему 2, легко дока- доказать непрерывность функции Xй индукцией по k. Пример 2. Из примера 1 и теоремы 3 индукцией по* числу членов получаем непрерывность на множестве всех действительных чисел функции, заданной многочленом f(x) = a(j-\-a1x-\-.. .-\~апхп с действительными коэффициентами а0, av, ..., ап. Отсюда опять по теореме 2 получается непрерывность функции, заданной на мно- f(x) жестве X всех чисел х, для которых g(x)^0, дробью , i , где f(x) и g (x) — многочлены с действительными коэффициентами. Са- Сами эти функции называются многочленами или целыми рациональными функциями и, соответственно, дробными рациональными функциями. Пример 3. Функции sin.*; и cosjf непрерывны на множестве всех действительных чисел. Функция tgjc непрерывна во всех точ- точках, где она определена, т. е. где соблг^О. Функция ctgjc непре- непрерывна во всех точках, где sin x ф 0. Чтобы доказать это, надо дать точное определение указанных функций. Любой угол а как геометрическая фигура определяет дугу круга радиуса 1. Так как поле действительных чисел непрерывно, то в нём существует число х, равное длине данной дуги. Эго число х называется радианной ме- мерой угла а. Обратно, для данного числа х можно построить дугу длины х, а для неё — центральный угол а. Тогда угол а будет иметь радианную меру х. Если ввести углы, большие 360°, и отрицатель- отрицательные углы, как это обычно делается, то можно установить взаимно однозначное соответствие между всеми действительными числами и всеми углами, при котором числу х соответствует угол а с ра- радианной мерой х. Поэтому обычно под углом и понимают не гео- геометрическую фигуру, а число, равное радианной мере угла. Тогда sin х определяется как функция, сопоставляющая с любым действи-
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 217 тельным числом х действительное число, равное отношению линии синусов к радиусу круга при известном из тригонометрии согла- соглашении о знаках. Также определяются другие тригонометрические функции. Подчёркиваем ещё раз, что трудность принципиального характера при таком определении тригонометрических функций лежит в задаче об измерении дуг окружности, которая разрешима в поле действительных чисел благодаря непрерывности поля '). Отметим, что соответствие между углами и их радианными мерами таково, что сумме углов a-f-p соответствует сумма х-\-у их радианных мер и произведению аа угла а на число а соответ- соответствует произведение ах радианной меры х угла на то же число а. Отсюда можно вывести, что все тригонометрические формулы, дока- доказанные для функций углов, остают- остаются верными для функций от радиан- радианных мер этих углов. Для доказательства непрерывно- непрерывности sin х убедимся, что | sin х \ ^ | х ] при любом действительном х. Так как sin ( — х) = — sin x, то доста- достаточно рассмотреть числа х^О, а так как |sin.*r|=s;l, то достаточно рассмотреть числа х, для которых О^дг^-к . Эти углы лежат в пер- первой четверти. Очевидно, линия сину- синусов МР равна половине хорды MN, стягивающей дугу MAN = 2х (рис. 1). Но все ломаные, вписанные в дугу MAN, длиннее хорды MN. А потому длина 2х дуги MAN как предел последовательности длин вписанных хорд не меньше длины хорды MN. Итак, "" -"¦- MN А/ Рис. 1. т. е. Но :0 и Положим: 8 = — Поэтому | sinjc | sg; | x \ . Пусть дано действительное число Тогда, применяя формулу sin а — sin Р = 2 cos ^-к^- и неравенство | cos а | =S 1, находим, что из | х—дг0 | <^8 следует: sin sinx— чго и доказывает непрерывность г) В курсах математического анализа даётся другое определение этих функций (с помощью бесконечных рядов), не опирающееся, на измерение дуг и на геометрию вообще.
218 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Непрерывность cosjc доказывается аналогично или проще выво- выводится из соотношения cos.*r=sjn (-^— х). Из непрерывности синуса и косинуса по теореме 2 следует непрерывность тангенса и ко- котангенса во всех точках х, где они определены. Из этих примеров видно, насколько широким является класс непрерывных функций. Для всех таких функций мы докажем сле- следующее предложение. Теорема 3. (Теорема о промежуточном значении.) Пусть f(x) — функция, заданная и непрерывная на отрезке [а, Ь] (т. е. на множестве действительных чисел х, для которых a =S x =S b, см. конец § 1). Пусть, далее, f(a)^=a и f(b) = $. Тогда для лю- любого числа у, принадлежащего отрезку [а, $] (при а =g Р) или отрезку [$, а] (при Р =s а), существует число с отрезка [а, Ь] та- такое, что /(c) = y- Иными словами, функция, заданная а непрерыв- непрерывная на некотором отрезке, принимает на этом отрезке все значения, промежуточные по отношению к её значениям в кон- концах отрезка. Доказательство. Если а = C, то <z = y —Р> и можно по- положить: с^а или с = Ь. Пусть а<^Р (в случае Р<^а доказательство аналогично). Если Y—Р> то можно положить: с = Ь. Итак, пусть а^.у<СР- Применим весьма распространённый метод деления от- отрезка пополам. Строим две последовательности действительных чисел \ап\ и {Ьп}, принадлежащие отрезку [а, Ь] и обладающие свой- свойствами an^an+l, bH7^bn+1, D) bn-an = b-=A E) для любого натурального числа п. Положим: а1^=а, bl=b. Если уже определены числа ап и Ьп отрезка [а, Ь], то число a""t " также принадлежит отрезку [а, Ь], и значит, для этого числа функция / определена. Если то положим: ап+1 = "~^ " и Ьп+1 = Ь. Если же то положим: ап+1 = ап и Ьп+1= Этими свойствами последовательное!!! { ап ] и { Ьп} однозначно опре-
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 219 делены (§ 15, теорема 1). Покажем, что выполнены свойства C), D), E). Выполнение свойства D) непосредственно следует из опре- определения чисел ап+1 и bn+l. Выполнение свойств C) и E) докажем индукцией по п. Так как а^7<^р, то эти свойства выполнены при я=1. Пусть они выполнены для числа п, т. е. /(а„)=?"У<С/(^л) и Ъп — ап =—гщг-. Тогда по определению ап+1 и Ьп+1, очевидно, Из D) вытекает, что если р<^д, то ар^а?. Покажем, что {ап} есть фундаментальная последовательность. Так как поле действи- действительных чисел архимедовски расположено, то для любого числа е^>0 существует натуральное число п0 такое, что —— <С <, _1 (§ 23, теорема 5) и—— <^е ( из а ф р следует аф Ь, т. е. b — а Тогда, если р^д, то Ь — а ^, при любых р, В силу полноты поля действительных чисел последовательность {ап} имеет предел с. Из E) (снова применяя теорему 5 из § 23) легко находим, что lim (ап — Ьп) = 0, а потому последовательность { Ъп } также сходится, причём lim an = limbn = c [§ 24, теорема 2, а)]. Так как функция f(x) непрерывна на отрезке [а, Ь], то по теореме 1 находим: lim/(an) —lim/(#n)—/(с). Но из C) получаем: n):S5Y5?n-m/(?n) [§ 24,'теорема 2, д)], или /(с) =^y=s?/(с), = y> чт0 и требовалось доказать. Из многочисленных приложений этой теоремы укажем лишь на извлечение корня и определение угла по значению синуса, что бу- будет использовано в следующей главе. Теорема 4. Для любого действительного числа а^>0 и любого натурального числа п существует одно и только одно действительное число Ь^>0 такое, что Ь" = а. Иными словами, |/'а имеет одно и только одно положительное значение Ь: Если п четно, то этот корень имеет ешё одно и только одно отри- отрицательное значение —be той же абсолютной величиной. Если а = 0, то единственное значение корня будет ]/а = 0. Еслиа<^0, то при нечётном п существует одно и только одно действитель- действительное значение корня и притом отрицательное, а при чётном п в поле действительных чисел \fa значений не имеет. Доказательство. Функция f(x)=x" задана и непрерывна на множестве всех действительных чисел, а следовательно, на любом отрезке. Пусть а^>0. Берём число с = а-\-\. Из с^>1^>0 следует
220 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ cn~l^s=\ (знак = получим лишь при я=1) и с"^э=с^>а. Применим теорему о промежуточном значении функции х" на отрезке [0, с]. Так как 0"<^а<^с", то существует число Ъ отрезка [0, с], для которого Ьп = а, \fa = b. Очевидно, Ь^>0. Если также #'^>0 и V ф Ь, то при V<b будет ?'"<?", а при Ь'>Ь будет ?'">&"(§ 10, теорема 4), т. е. Ь'п ф а, чем доказана единственность положительного значения j/а. При чётном п также (— bf = [( — bf] 2 = (b*) Z = b» = a, т. е. —b есть другое значение корня. Если Ь' <^0 и Ь' ф — Ь, то при й'<[ — b будет: й'2^>52^>0, откуда Ь'п = (?'2) 2" Аналогично при —b<^b'<^0 будет: Ь'"<^а. Этим доказана един- единственность отрицательного значения — b = \/а. Если п нечётно, toj/c отрицательных значений не имеет, ибо из Ь'<^0 следует: Ь'п<^0<^а. Если а = 0, то 0" = 0 = а. Других значений ]/0 не имеет, ибо из Ьп = 0 следует b = 0, так как поле не имеет делителей нуля. Если а<^0 ил нечётно, то по доказанному выше существует одно и только одно число b и притом положительное, для которого Ьп = — а. Тогда (— b)n = {— \fbn = a. Если Ь' Ф — Ь, то, как и выше, убедимся, что Ь'пф(—Ь)п = а. Итак, |/а имеет единственное значение ¦—Ъ. Наконец, если а<^0 и п четно, то п/а не имеет значений в поле действительных чисел. В самом деле, так как поле действи- действительных чисел является расположенным полем (§ 10, определение 1), то для любого числа b должно быть Ь*^0 (§10, теорема 7). Поэтому ?" = (?2)~2=э=0, т. е. Ьп Ф а. Остановимся на разыскании угла по значению его синуса. Теорема 5. Для любого числа а отрезка [0, 1] существует одно и только одно число b отрезка 0, -^ такое, что а = sin b. Доказательство. Функция f(x) = sin x задана и непрерывна на множестве всех действительных чисел, а следовательно, на от- отрезке |0, у . Так как sin Ossa^; sin ~, то по теореме о проме- промежуточном значении существует число b отрезка 0, -к I , для кото-
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 221 рого sin b = a. Для доказательства единственности числа Ь восполь- воспользуемся свойством функции sinx возрастать с ростом угла от нуля тс тс _ до -к- • Это известно из тригонометрии и доказывается так: если О =? Xi <^ -*г2 ^ у» то большему углу соответствует и большая дуга, но 0 <^ 2ху <^ 2лг.2 ^ тг, и для таких дуг большая дуга стягивается большей хордой. Половина хорды, стягивающей дугу длины 2х, является линией синусов угла х. Отсюда ясно, что sinJCj^ Если теперь У фЪ— другое число отрезка О, Ц-1, то при будет: sin b<^sin b', а при b'<^b будет: —sin b'<^sin b. Следова- Следовательно, sin b' ф a. Рассмотрим в заключение этого параграфа некоторые свойства поля действительных чисел как непрерывно расположенного поля. Теорема 6. Поле действительных чисел D может быть рас- расположено лишь одним способом (при сохранении операций сложе- сложения и умножения) и допускает лишь одно изоморфное (относи- (относительно сложения и умножения) отображение в себя, а именно, тождественное отображение на самого себя. Доказательство. Пусть D — поле действительных чисел, расположенное обычным образом (§ 25, определение 2 и ниже), и D' — поле, совпадающее с D по составу элементов и по операциям сложения и умножения, но расположенное произвольным образом. Из совпадения сложения следует, что нуль поля D будет нулём и в D'. Далее, если а~^>0 в D, то по теореме 4 существует число Ь такое, что а = й2 в D, a по совпадению умножения-—-и в D'. Так как D' — расположенное поле, то его элемент а как квадрат эле- элемента Ъ положителен (§ 10, теорема 7), ибо а ф 0, т. е. а~^>0 в D'. Если а<^0 в Д то —о)>0 в Д а поэтому и в D', т. е. а<^0 также в D'. Отсюда следует, что если а~^>0 в D', то а)>0 в Д ибо исключено, что а^ОвО. Таким образом, а тогда и только тогда положительно в D', когда оно положительно в D, т. е. расположен- расположенное поле D' совпадает с D; поле D допускает лишь одно распо- расположение. Пусть x'=f(x) — любое изоморфное (относительно сложения и умножения) отображение поля действительных чисел D на некото- некоторое его подполе Р. Если число а~^>0, то а = й2, где b ф 0. В силу свойств изоморфизма тогда т. е. при изоморфизме / положительное число переходит в поло- положительное. Между двумя различными действительными числами а и b ьсе- гда лежит рациональное число с.
222 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ В самом деле, пусть а<^Ь, Ъ — а~^>0. По аксиоме Архимеда существует натуральное число я^>,-—; тогда —<^Ь—а. Далее, существуют натуральные числа т1 и т2, для которых mi- — >a и Щ-~> — а, т. е. (—щ) — <Са- Поэтому множество А тех целых чисел k, для которых k — ^>а, непусто (ибо содержит т.]) и ограничено снизу числом —т2. Следовательно, оно содержит наименьшее число т (§21, теорема 5). Тогда т ~ =g а <^ —, откуда ^ т т—1 , 1 _, , ,, . , т. е. рациональное число — лежит между а и Ъ. При изоморфном отображении / поля D в себя поле рациональ- рациональных чисел тождественно отображается на себя (§ 23, теорема 2). Если бы отображение / не было тождественным отображением поля D на себя, то существов: ло бы действительное число а такое, что f(a) = b^ta. Пусть, например, а<С^Ь. По доказанному суще- существует рациональное число с такое, что а<^с<^Ь, откуда а — с<^О<^Ь — с и с — а^>О^>с — Ъ. Но т. е. число с — а~^>0 перешло в число с — Ь<^0, что невозможно. Оперировать с действительными числами как классами фунда- фундаментальных последовательностей рациональных чисел практически неудобно ввиду громоздкости такого изображения. На практике при вычислениях с действительными числами применяется их запись десятичными дробями 1). § 27. Аксиоматическое определение действительных чисел Совокупность натуральных чисел мы определили при помощи основного отношения «следует», подчинённого системе аксиом Пе- ано (§ 11, определение 1). Такое построение математической тео- теории является аксиоматическим. Далее, с помощью натуральных чисел мы последовательно определили целые, рациональные и дей- действительные числа. Во всех этих трёх случаях новая числовая об- *) См. статью А. Я. Хинчипа «Элементы теории чисел», гл. IV.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЧЬНЫХ ЧИСЕЛ 223 ласть определялась через старую при помощи наложения дополни- дополнительных требований, обеспечивающих однозначное до изоморфизма определение новой области. Каждый раз мы строили интерпрета- интерпретацию (конкретный пример) определяемой области. Ввиду изоморфиз- изоморфизма всех множеств, удовлетворяющих данному определению, мы мог- могли бы в каждом случае саму интерпретацию принять за определе- определение данной области. Такое определение числовых областей назы- называется конструктивным. Возникает вопрос, можно ли определить каждую из упомянутых областей аксиоматически? Расширяя числовую область, мы каждый раз налагали новые требования (возможность вычитания, деления и, наконец, непре- непрерывность) при условии минимальности расширения. В отношении действительных чисел требование минимальности оказалось уже из- излишним. Это означает, что совокупность свойств, предъявленных ко множеству действительных чисел, характеризует это множе- множество однозначно до изоморфизма. Тем самым эта совокупность свойств даёт аксиоматическое определение действительных чисел. Та- Таким образом, определение действительных чисел как непрерывного расположенного поля является их аксиоматическим определением. Собирая вместе все свойства, включённые в это понятие, приходим к такому определению. Определение. Полем действительных чисел называется непустое множество D, в котором двум любым элементам a it Ъ соответствуют элемент а-\-Ь, называемый их суммой, и эле- элемент аЪ, называемый их произведением, и определено свойство элемента быть положительным, причём выполнены условия: I. (Коммутативность сложения.) a-\-b — b-\-a. II. (Ассоциативность сложения.) а-\-{Ь -\~ с) — = (а-\-Ь)-\-с. III. (Обратимость сложения.) Для любых элементов аи b множества D существует элемент с аз D такой, что а-\-с — Ь. IV. (Коммутативность умножения.) ab = ba. V. (Ассоциативность умножения.) a (be) = (ab) с. VI. (Дистрибутивность умножения относительно сложения.) (a-\-b)c = ab -J- be. Эти свойства означают, что D есть кольцо. Стало быть, опреде- определено умножение элементов D на натуральные числа; существует единственный элемент 0 такой, что а-^\-0 = 0-\-а = а для любого а из D; для данного а существует единственный противоположный элемент —а такой, что o-f-( — а) = { — а)-\-а = 0; для данных а и b существует единственный элемент b — а, называемый их раз- разностью, такой, что а-\-(Ь — а) — (Ь — а)-\-а = Ь. Далее: VII. (Обратимость умножения.) Для любых элементов а и b множества D, где афО, существует элемент q из D та- такой, что aq = b.
224 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ VIII. (Аксиома мощности.) Множество D содержит по крайней мере два различных элемента. Условия I — VIII означают, что D — поле (§ 8, определение 1). Стало быть, определено понятие подполя поля D (§ 8, определе- определение 3). Далее: IX. Для любого элемента а множества D имеет место один и только один из трёх случаев: а положителен, а = 0, — а по- положителен. X. Сумма и произведение положительных элементов положи- положительны. Условия I — X означают, что D — расположенное поле. Стало быть, определяя а~^>Ь, если элемент а — b положителен, превратим D в упорядоченное множество (§ 10, теорема 1). Далее: XI. (А к с и о м а Архимеда.) Для любых элементов а и b множества D, где Ь~^>0, существует натуральное число п такое, что nb~^>a. Условия I — XI означают, что D — архимедовски расположенное Поле. Стало быть, в D определены понятия предела последователь- последовательности и фундаментальной последовательности, не меняющиеся при замене D любым его подполем, содержащим все рассматриваемые элементы (§ 24, теорема 5). Наконец: XII. (Аксиома полноты.) Любая фундаментальная после- последовательность элементов множества D имеет предел в этом множестве. Условия I — XII означают, что D — непрерывное поле (§ 24, оп- определение 6). Отметим, что это определение предполагает уже построенные натуральные числа. Иначе аксиома Архимеда XI теряет смысл. Ниже мы приведём другую систему аксиом, не опирающуюся на понятие натурального числа. Возникает вопрос о непротиворечивости, полноте и независи- независимости системы аксиом I — XII. Для доказательства непротиворечивости системы аксиом I—XII достаточно найти для неё хотя бы одну интерпретацию (§ 17, опре- определение 1). Но поле Do, построенное в § 25 (определение 2, тео- теорема 4), даёт такую интерпретацию. Правда, построение поля Do опирается на поле рациональных чисел, но, беря конструктивное определение его, т. е. поле Го (§ 22, определение 2), где за кольцо целых чисел принято его конструктивное определение Со (§ 20, определение 2), мы сводим построение поля Do к натуральным чи- числам. Этим непротиворечивость системы аксиом I—XII сведена к непротиворечивости (в смысле существования интерпретации) си- системы аксиом для натуральных чисел. Для доказательства полноты системы аксиом I—XII достаточно показать, что две любые интерпретации этой системы изоморфны (§ 17, определение 3). Но это, по сути дела, нами уже доказано.
ПОЛЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ 225 В самом деле, если Р, и Р.г — две интерпре гации системы аксиом I—XII (т. е. два непрерывных поля), то для одной и той же интерпрета- интерпретации Г поля рациональных чисел существуют поля Dl и Dit содер- содержащие в качестве подполя поле Г и изоморфные (относительно сложения, умножения и расположения) соответственно Pt и Р» (§ 23, теорема 2). В силу этого изоморфизма поля Z3, и D.2 сами непре- непрерывны и, следовательно, изоморфны относительно обеих операций и порядка (§ 25, теорема 2). Но тогда по свойствам изоморфизма поля Р, и Р2 изоморфны между собой (также относительно сложе- сложения, умножения и расположения). Этим полнота системы аксиом I—XII доказана. Поскольку непротииоречивость и полнота системы аксиом I-—XII доказаны, эта система точно определяет поле действительных чисел и является фундаментом для построения теории действительного числа. Такое построение было в известных пределах выполнено нами в предыдущем параграфе. Вопрос о независимости системы аксиом I — XII (§ 17, опре- определение 3) не имеет такого принципиального значения, и мы им заниматься не будем. Укажем лишь, что каждая из аксиом XI и XII независима от остальных аксиом I—XII. Мы определили непрерывность расположенного поля при г.омощи аксиомы Архимеда и аксиомы полноты (§ 24, определение 6). Суще- Существует много других форм аксиом непрерывности. Приведём две из них. Чтобы их формулировать, нужно ввести некоторые новые понятия. Сечением упорядоченного множества (и, в частности, рас- расположенного поля) Р называется пара непустых подмножеств X, Y множества Р, не имеющих общих элементов, объединение кото- которых (§ 2) равно Р, т. е. X[)Y = O, X[}Y=P, причём х<^у для любых элементов х? X и yi Y. Если элемент а является наибольшим элементом в X, причём Y не имеет наимень- наименьшего элемента или же а является наименьшим элементом Y, при- причём X не имеет наибольшего элемента, то элемент а называется рубежом данного сечения. Элемент Ъ упорядоченного множества Р называется предельным элементом множества А, если для любых элементов Ъх и Ь2 таких, что Ь1<^Ь<^Ьг, существует бесконечное множество элементов а из А, для которых Ь1<^а<^Ь.2. Легко убедиться, что для расположенного поля Р это опреде- определение эквивалентно такому: Элемент Ъ называется предельным для множества А, если для любого элемента е^>0 из Р существует бесконечное множество элементов а из А, для которых \а — ft <^е. 15 Энциклопедия, кн. 1.
226 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Подмножество А упорядоченного множества (и, в частности, рас- расположенного поля) Р называется ограниченным, если существуют элементы bi и ?2 из Р такие, что й,<^а<^й2 для любого элемента а множества А. Следующие три свойства расположенного поля Р эквивалентны. а) В поле Р выполнены аксиомы XI и XII. б) (Д е д е к и н д). Любое сечение поля Р имеет рубеж. в) (В е й е р ш т р а с с). Любое бесконечное ограниченное мно- множество элементов поля Р имеет предельный элемент. Таким образом, поле действительных чисел аксиоматически можно определить свойствами I — X и любым из свойств а), б), в). Доказа- Доказательство эквивалентности свойств а), б), в) можно найти в книге И. В. Проскурякова [*]. Поле рациональных чисел аксиоматически можно определить как простое поле характеристики нуль. В самом деле, любое такое поле совпадает со своим подполем рациональных элементов и, сле- следовательно, изоморфно полю рациональных чисел Г (§ 23, теоре- теорема 2). Кольцо целых чисел аксиоматически можно определить, как кольцо R с единицей е, не содержащее отличного от него под- кольца с единицей и обладающее тем свойством, что пеф§ для любого натурального" числа п. В самом деле, легко показать, что множество всех элементов вида пе изоморфно множеству N нату- натуральных чисел относительно сложения и умножения. Следовательно, кольцо R содержит подкольцо ^0, изоморфное кольцу целых чисел С (§ 20, теорема 3). Но так как Ro содержит единицу, то оно совпадает с R. Таким образом, R изоморфно кольцу целых чисел.
ГЛАВА VII ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ § 28. Определение поля комплексных чисел Уже в древности при решении задач, выражаемых на современ- современном языке квадратными уравнениями, встречались случаи, связанные с комплексными корнями уравнений. В таких случаях считали задачу неразрешимой. Однако решение в радикалах кубичного уравнения, найденное итальянскими математиками в первой половине XVI в., приводило к выражению действительных корней уравнения с дей- действительными коэффициентами через квадратные корни из отрица- отрицательных чисел. Это заставило математиков того времени опериро- оперировать новыми числами, которые назывались «мнимыми», «невозмож- «невозможными», «воображаемыми» и т. д., применяя для них те же правила действий, которым подчинялись действительные числа. Однако смысл новых чисел оставался неясным, что и нашло своё отражение в тер- терминологии. Так,-Кардан называет новые' числа «ложными, поистине софистическими» числами. Первое формальное обоснование' действий с комплексными числами дано в «алгебре» итальянского .математика Бомбелли A572). Однако наглядное- геометрическое; изображение этих чисел (как точек или векторов на плоскости) _, было дано только в начале1 XIX в. '). После этого изучение комплексных чисел пошло очень быстро, и в настоящее время теория функций комплексного переменного является основной частью математического анализа. Эта теория на- находит приложение в самых разнообразных областях науки, напри- например в аэродинамике. Свойства комплексных чисел столь же хорошо обоснованы как, скажем, свойства чисел рациональных или действи- действительных. В поле действительных чисел операция извлечения корня не всегда выполнима. Именно, корень чётной степени из отрицатель- *) Впервые геометрическое изображение действий над комплексными чи- числами было дано датским землемером К. Бесселем в 1799 г. и независимо от него французским математиком Аргандом в 1803 г. Однако общее признание оно получило лишь после нового обоснования, данного Гауссом в 1831 i. 15*
228 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬКА И ПОЛЯ ного числа не имеет действительных значений, т. е. при действи- действительном а<^0 и чётном натуральном п не существует действи- действительного Ъ, для которого Ьп = а (§ 26, теорема 4). Следуя общему плану расширения числовых областей, намеченному в § 18, мы рас- расширим теперь поле действительных чисел D до поля комплексных чисел К, в котором операция извлечения корня уже всегда выпол- выполнима. При этом получается существенно новый результат и для тех случаев, когда эта операция была выполнима в поле D. Именно, в новом поле К \/а при любом а^Ои любом натуральном п будет иметь ровно п значений '). Как мы увидим, достаточно расширить поле D до такого поля, где V — 1 имеет хотя бы одно значение, т. е. существует элемент i, для которого i'2 = —1. Мы будем искать минимальное расшире- расширение такого рода в смысле следующего определения: Определение 1. Полем комплексных чисел называется ми- минимальное поле К, содержащее поле действительных чисел D и элемент i со свойством /2 =—1, т. е. множество К, обладающее следующими свойстзами: 1) К является полем, содержащим в качестве подполя поле действительных чисел D и элемент i со свойством /2 = — 1. 2) Поле К не содержит никакого подполя, отличного от него самого и обладающего теми же свойствами. Элементы поля К называются комплексными числами. Сначала докажем единственность (как всегда, с точностью до изоморфизма) определённого таким образом поля К- Теорема 1. Поле К, содержащее поле действительных чисел D 2) и элемент I со свойством z2 = — 1, будет минимальным (т. е. полем комплексных чисел) тогда и только тогда, когда каждый элемент х из К можно представить в виде A) где а и b — действительные числа. При этом такое представле- представление единственно, т. е. для данного элемента х из К существует лишь одна пара действительных чисел а, Ъ (взятых в данном по- порядке), удовлетворяющих равенству A). '* *) Значения у а являются, очевидно, корнями уравнения хп — в = 0. Уравнения такого вида называются двучленными. Таким образом, в поле комплексных чисел К разрешимы все двучленные уравнения. Справедливо более сильное утверждение, что в поле К разрешимы все алгебраические уравнения, т. е. уравнения вида/(х) = 0, где f(x) — любой многочлен сте- степени п ^Э: 1 с любыми комплексными коэффициентами. Доказательство этой теоремы см. Э. э. м., книга 2, Л. Я. О к у н е в, кольцо многочленов и ноле рациональных функций, гл. I, § 6. 2) Как всегда, говоря, что одно поле содержит другое, мы подразуме- подразумеваем, что операции в меньшем ноле совпадают с одноимёнными операциями si большем ноле.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 229 Доказательство, а) Пусть каждый элемент х поля К пред- представим в виде A) с действительными а и Ъ и пусть Р — любое подполе поля К, содержащее поле действительных чисел D и не- некоторый элемент j со свойством /* = —1. Так как z2=y2 =—1, то (l-\-j)(i—Л = Р—у-\-р—f = 0. Но поле К не имеет дели- делителей нуля (§ 8, теорема 1), следовательно, либо i-\-j — 0, либо i—7 = 0, откуда j — ±i- Для любого х из К тогда х=а-{-Ы — = a±bj, т. е. х принадлежит Р, Р совпадает с К. Этим доказана минимальность поля R. б) Пусть, обратно, поле К минимально. Покажем, что любой элемент х из К представим в виде A). Пусть М есть множество всех элементов поля К, представимых в виде A). Покажем, что выполняются следующие свойства: а) а -\- Ы = с -\- di тогда и только тогда, когда а —с и b—d; б) (a-\-bi)±(cJrdi) = (a±c)-\-(b±d)i; в) (а + Ы) (с + di) = (ас — bd) + (ad + be) i; a + bi ac -f- bd . be — ad B) где c-\-dijbO. В самом деле, если а = с и b = d, то из однозначности суммы и произведения в поле К следует, что a -\-bi = c-\-di. Обратно, если a-\-bi = c-\-di, то из b — d следует bi — di, а потому а=:с. Если же bj^d, то i = ^-zr~ > Т- е- ' принадлежит полю действи- действительных чисел, что невозможно, ибо /2 — —1<С0, а квадрат дей- действительного числа не отрицателен (§ 10, теорема 7). Таким об- образом, b — d и а = с, чем доказано утверждение а). Так как из свойств нуля очевидно, что 0 —}— 0 • г = 0, то из а), в частности, следует, что a-\-bi = 0 тогда и только тогда, когда а = Ь = 0. Равенства б) и в) следуют непосредственно из свойств сложе- сложения и умножения в поле К- Если с -\- di ф 0, то либо с ф 0, либо d фО и по доказанному выше также с — diфO. В этом случае также с2-)-сР^>0. Умножая делимое и делитель в левой части равенства г) на с — di ф 0, мы не изменим частного и легко приведём его к выражению, стоящему в правой части равенства. Из а) следует однозначность представления элемента х в ви- виде A). Из б), в) и г) следует, что сумма, разность, произведение и частное (если делитель отличен от нуля) двух элементов множе- множества М снова принадлежат М, т. е. М есть подполе поля Р (§ 8,
230 понятия множества, группы, кольца и пота теорема 5). Так как а = а-\-0 • I и i = 0-f-li принадлежат М и К—минимально, то К—М, т. е. любой элемент из К представим в виде A). Теорема 2. Все поля комплексных чисел изоморфны между собой, т. е. поле комплексных чисел определено однозначно с точ- точностью до изоморфизма. Доказательство. Пусть /c"i и К2 — два поля комплексных чисел, причём К\ содержит элемент /,, a if", — элемент г3 со свой- свойством г? = г'2 = —1. По предыдущей теореме все элементы Kt за- записываются в виде а-\-Ых и все элементы из Къ — в виде a -j- Ъ1% с действительными а и Ь, причём однозначно. Отсюда легко вы- вывести, что соответствие f(a-\-bil) = a~\-bi^ является взаимно одно- однозначным отображением К\ на /С2. Из равенств B), б), в) следует, что сложение и умножение элементов из Kt и К% сводится к одним и тем же действиям над действительными числами. Отсюда легко вывести, что отображение / изоморфно. Надо доказать, что для любых лг, и yt из /Cj. Проверим лишь первое из этих соотно- соотношений, так как для второго рассуждение аналогично. Пусть лг, = а -\- blv yl==c-\- div Тогда = (а + с) + (b + d)i.2 = {а + Теорема доказана. Замечание. При изоморфизме / любое действительное число а отображается само на себя, а элемент /, переходит в is. Теорема 3. Любое поле Р, содержащее поле действительных чисел D и элемент i со свойством га = — 1, содержит поле комплекс- комплексных чисел. Доказательство. Пусть К—множество всех элементов поля Р, представимых в виде а-\-Ы с действительными а и Ъ. Как в доказательстве теоремы 1 [п. б)], убеждаемся, что К— под- подполе поля Р; К содержит поле действительных чисел D и элемент /. Так как любой элемент из К имеет вид а -\- Ы, то по теореме 1 поле К минимально в смысле определения 1, т. е. К является полем комплексных чисел. Теорема доказана. Теперь докажем существование поля комплексных чисел. Как и в случае целых рациональных и действительных чисел, достаточно построить интерпретацию (конкретный пример) поля, удовлетворяю- удовлетворяющего определению 1. Можно было бы элементами этого поля просто считать символы а-\-Ы, где а и Ъ — действительные числа, а I — символ, подчинённый условию г- = —1. Но тогда надо показать,
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 231 что в это поле можно включить действительные числа так, что символ а^\-Ы в новом поле будет совпадать с суммой а и произве- произведения Ъ на /. Такое построение ввиду неясности смысла, придавае- придаваемого символу I, может показаться слишком формальным. Поэтому мы поступим несколько иначе. По идее, приведённой ниже, построе- построение очень близко к упомянутому выше, но все применяемые в нём символы имеют вполне конкретный смысл. Конструкция одного из изоморфных полей комплексных чисел подсказывается теоремой 1. В самом деле, каждый элемент искомого поля должен иметь вид а-\-Ы, т. е. определяется парой действи- действительных чисел а, Ь, причём разным парам соответствуют и разные элементы. Таким образом, в данном случае нам не нужно опреде- определять эквивалентность пар и переходить к классам эквивалентных пар, как в случае целых или рациональных чисел. Определение 2. Пусть Ко есть множество всех пар вида (а, Ь), где а и Ъ — действительные числа, порядок которых суще- существенен. Сложение и умножение во множестве Ко определяем по формулам (a,b)-\-{c,d) = (a-\-c,b-\-d), C) (а, Ь) (с, d) = {ac — bd, ad -f be). D) Операции в Ко определены так, чтобы им соответствовали те же операции в искомом поле, которые должны удовлетворять равен- равенствам B), б), в). Теорема 4. Множество Ко с операциями, определёнными по формулам C) и D), является полем. Доказательство. Надо проверить выполнение в Ко свойств I — VIII (§ 7, определение 1 и § 8, определение 1). Так как сложение пар сводится к сложению соответствующих элементов, то свойства I — III для пар непосредственно вытекают из соответствующих свойств действительных чисел. Свойства IV — VI проверяются непосредственно. Проверим, на- например, дистрибутивность умножения относительно сложения (свой- (свойство VI): [(а, Ь) + [с, d)](e, f) = {a + c, b-\-d)(e, f) = = \{a-\-c)e — (b-\-d)f, (a-\-c)f-j-(b-\-d)e] = = (ae -\-ce — bf — df, af -f cf -f be -\- df)\ (a, b) (c, /) -f (c, d) (e, f) = (ac — bf, af + be) -\- (ce — df, cf -f de) = = {ae — bf-{-ce — df, af -\- be -f- cf -\- de). Обе окончательно полученные пары совпадают, чем и доказано VI.
232 понятия mhom<fctba, группы, кольца и поля Итак, Ко является кольцом. Легко видеть, что нулём этого кольца является пара @, 0), а противоположная пара и разность пар опре- определяются равенствами — {а, Ь) = (—а, —Ь), (a, ft) —(r, d) = (a — с, b — d). Проверяем обратимость умножения (свойство VII). Пусть (а, Ь) и (с, d) — две любые пары, причём (а, Ь) ф @, 0). Последнее озна- означает, что либо аф§, либо Ь ^ 0 а). Так как а и b— действительные числа, то а2-\-Ь*~^>0 (§ 10, теорема 7). Надо найти пару (х, у), удовлетворяющую уравнению (a, b)(x, y) = (c, d). E) Предположим сначала, что такая пара существует. Тогда (ах— by, ay-\-bx) = (c, d), откуда ах — by = c, bx-\-ay = d. Решая эту систему уравнений относительно х и у, найдём: ac-\-bd ad— be Х 1FW У~~~ Этим доказано, что если пара (х, у), удовлетворяющая E), суще- существует, то только одна, именно та, где х и у определяются из написанных для них выражений. Легко проверить, что такая пара действительно удовлетворяет равенству E). В самом деле, ,. «.\ / ос + bd ad — I as + ba f a*c + abd — bad + b-c a°d — abc + bac + b-d \ « Этим свойство VII доказано. Так как Ко содержит более одного элемента, то свойство VIII выполнено. Теорема доказана. Отметим, что единицей поля Ко является пара A, 0), так как (а, Ь)-{\, 0) = (а- 1-й-0, а-0-\-Ь- 1)=(а, Ь). Мы увидим, что поле Ко с точностью до изоморфизма является полем комплексных чисел. Это поле не удовлетворяет определению 1, ибо оно не содержит действительных чисел. Займёмся включением в поле Ко поля действительных чисел D. Пусть D' — множество всех пар поля Кп вида (а, 0). Из формул C) и D), определяющих сложение и умножение пар, легко следует, что отображение а —у (а, 0) является изоморфным отображением поля D на множество D'. Следовательно, б' само является полем (§ 9, теорема 1). Далее, существует поле К, содержащее D в ка- 1) Равенство и неравенство нар, как и элементов любых мпожеств, мы понимаем просто кик тождество или раз чичие. Таким образом (х, у) = (z, t) гогда и только тогда, когда х — z,y — t.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 233 честве подполя и отображающееся на Кй изоморфно так. что каждое число а из Л отображается при этом на соответствующую ему пару (а, 0) из П (§ 9, теорема 2). Теорема 5. Поле К является полем комплексных чисел. Доказательство. По построению поле К содержит поле D. Далее, поле К содержит пару @, 1). Обозначим эту пару через /, т. е. положим: / = @, 1).В поле Ко мы имеем: @, 1J = @, 1)@, 1) = @-0—1 -1, 0-1 + 1.0) = (—1, 0). Но при построенном выше изоморфном отображении Ко на К эле- элементу (— 1, 0) из Ко соответствует число —1 из К. Следовательно, в К должно быть /2 = —1. Итак, поле К обладает свойством 1) из определения 1. Остаётся доказать минимальность поля К. По теореме 1 для этого достаточно показать, что любой элемент х из К представим в виде х = а-\-Ы с действительными а и Ь. Пусть при упомянутом изоморфизме К и Ко элементу х из К соответствует пара (а, Ь) из Ко- Легко проверить справедливость равенства (а, Ъ) = {а, 0) + (ft, 0)@, 1) в Ко. Отсюда в силу нашего изоморфизма между Ко и К находим: х = а-\-Ы. Теорема доказана. § 29. Свойства комплексных чисел') Поле комплексных чисел обладает всеми свойствами колец и полей, рассмотренными в §§ 7, 8. Так как поле комплексных чисел содержит поле рациональных чисел, то его характеристика равна нулю. Так как в любом расположенном поле сР^О для любого элемента а (§10, теоре- теорема 7), а в поле комплексных чисел ?2 = —1, то поле комплексных чисел не может быть расположено. Геометрическое представление комплекс- ных чисел. Возьмём на плоскости две взаим- взаимно перпендикулярные прямые — горизонталь- горизонтальную Ох и вертикальную Оу, — пересекающиеся Рис. 2. в точке О (рис. 2). Далее, выберем неко- некоторый отрезок MN за единицу измерения отрезков. Тогда все У b 0 a A Z 7 3. *) Здесь мы остановимся лишь на обосновании элементарных свойств комплексных чисел. Читателю, желающему ознакомиться с другими интерес- интересными свойствами этих чисел (например, с теорией делимости так называе- называемых целых комплексных чисел), рекомендуем книгу Р. О. Кузьмина и Д. К. Фаддеева ["].
234 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВ \, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПО1Я комплексные числа можно изобразить точками плоскости Оху. Именно, для числа z = a-\-bi откладываем на Ох от точки О отрезок О А длины \а\ и притом вправо, если а ^> 0, и влево, если а<^0. На прямой Оу откладываем отрезок ОВ длины \Ь\ и притом вверх, если Ь^>0, и вниз, если Ь<^0. Через точку А проводим прямую, параллельную Оу, а через В — прямую, параллель- параллельную Ох. Точка Z пересечения этих прямых и принимается за изо- изображение числа z. Легко убедиться, что любая точка нашей пло- плоскости является изображением некоторого комплексного числа и что данное соответствие между комплексными числами и точками плоскости Оху взаимно однозначно. Очевидно, что при этом число z = a-[-bi изображается точкой Z(a, Ь) с прямоугольными декартовыми координатами а и Ь. Действительные числа и только они изображаются точками пря- прямой Ох. Числа вида Ы, называемые чисто мнимыми, и только они изображаются точками прямой Оу. Поэтому прямая Ох называется действительной, а Оу — мнимой осью. Направления вправо по Ох и вверх по Оу называются положительными, а влево по Ох и вниз по Оу — отрицательными. Точка О называется началом ко- координат, а прямые Ох и Оу — осями координат. Во всём дальнейшем мы не будем непосредственно опираться на геометрическое представление комплексных чисел для доказательства каких-либо их свойств; мы будем, однако, прибегать к геометриче- геометрическому представлению для придания наглядности этим свойствам. Тригонометрическая форма комплесного числа. Определение. Тригонометрической формой комплексного числа z называется его запись в виде z = r (cos a -\- i sin a), где г и а — числа действительные, причём г^О. Число г назы- называется модулем, а а — аргументом комплексного числа z. Теорема 1. Любое комплексное число можно записать в тригонометрической форме. При этом модуль z определён одно- однозначно и равен нулю тогда и только тогда, когда z = 0, а аргу- аргумент для z = 0 может быть произвольным числом, а для z^tO определён с точностью до слагаемого, кратного 2тт. Доказательство. Если z = 0, то 0 • (cos a-\-i sin о) при лю- любом а будет тригонометрической формой числа z. Обратно, если г (cos a -\- i sin a) = 0, то из sin2a -\- cos2a = 1 следует, что cos а -\- -]- г sin a ^ 0 и, следовательно, г = 0. Этим все утверждения теоремы, касающиеся случая z = 0, доказаны. Пусть z = a -\- bi ф 0. Тогда числа а и Ь не равны нулю одно- одновременно и ae -}- ft2 ^> 0. В поле действительных чисел / имеет два значения: положительное и отрицательное (§ 26, теорема 4). Пусть г — положительное значение этого корня. Так как а^^г1 и
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 235 то 1 и S 1. Существует число а0 такое, что 0=ga =? -^ и sin ао= — (§ 26, теорема 5). Так как (—) 4- " i \ г \ \r i ТО у = - = ±sina0. Если а = cos а0 и = sin a0, то положим а = а0; если ° = — cos a0 Ъ =^а,; если — = — и -- = sina0, то положим: ао = тс— а, и а=^а,; то положим: а, :=— а. Всегда получим число а такое, что а Ъ - - = cos a, - = sin a, и таким образом z = a-\-bi — ri—-\-i—\=r (cos a -\-1 sin a). Итак, z записано в тригонометрической форме. Очевидно, что, при- прибавляя к а число 2foi с любым целым k, мы получим тригонометри- тригонометрическую форму того же числа z. Докажем единственность модуля. Пусть a -J- bi = r (cos a -\- i sin a). Тогда ft = rsina. A) Возводя эти равенства в квадрат и складывая, находим: a2 -\- fta = г2, т. е. г=\/а*-\-Ь*. Мы берём положительное значение корня, ибо г^>0. Этим единственность г доказана. Наконец, если даны две тригонометри- тригонометрические формы числа z: г (cos a, -}- i sin a,) = r (cos aa -}- i si 0 также г то при z откуда cos a, =cosa2, О Рис. 3. и, как известно из тригонометрии, тогда а, = а2 -|- 1k.T. с целым k. Теорема доказана. Выясним геометрический смысл модуля и аргумента. Пусть числу z = г (cos a -J- /: sin a) соответствует точка Z плоскости Оху (рис. 3). Соединим эту точку отрезком прямой с началом координат О и опустим из точки Z на действительную ось Ох перпендикуляр ZP. Если z = a -j- bi, то длина отрезка OP равна | а \, а длина ZP равна | b \. Поэтому откуда г = OZ. Итак, модуль числа z равен расстоянию точки Z от
236 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦЛ И ПОЛЯ начала коорцинат. Если [3 — радианная мера угла, образуемого лучом OZc положительным направлением действительной оси, отсчи- отсчитываемого от нее в направлении, совпадающем с кратчайшим пово- поворотом от положительного направления действительной до положитель- положительного направления мнимой оси, то, проведя окружность радиуса г с центром О, мы видим, что а и ft по абсолютной величине и по знаку совпадают с линией косинуса и линией синуса угла [3. Таким образом, в силу A) должно быть: cos[3=— = cosa, sin [3 = — = sin a, откуда a = S-}-2for. Итак, аргумент числа z с точностью до слагае- слагаемого, кратного 2тс, равен углу луча OZ с положительным направле- направлением действительной оси. Из доказанного вытекает, что модуль и аргумент числа z являются полярными координатами соответствующей точки Z в системе полярных координат, у которой полюс лежит в начале коорди- координат О, а полярная ось совпадает с положительным направлением действительной оси Ох. Умножение комплексных чисел, заданных в тригонометрической форме, выглядит особенно просто. Теорема 2. При умножении любого конечного числа ко м- плексных чисел модули их перемножаются, а аргументы склады- складываются. Доказательство. Ограничимся случаем двух сомножителей, так как проведение индукции не представляет затруднений. Итак, надо доказать: [r1 (cos a, -}- i sin a,)] • [r2 (cos a2 -j- i sin o.3)] = = (rir2) [cos (a, -f- a») -f i shi (a, -f <z4)]. B) Ho (cos a2 -J- i sin a,) (cos a2 -}- i sin a,) = (cos o^ cos a2 — sin a, sin a2) -f- -\- i (cos a, sin a2 -\- sin a, cos a4) = cos (a, -J- <*2) -f- i sin (a, -\- a2). Отсюда непосредственно вытекает B). Так как из г, 5=0, г25=0 следует rfa ^0, то rtr% — модуль и а,-)-«з — аргумент произ- произведения данных чисел, чем теорема для случаев двух сомножите- сомножителей доказана. Из этой теоремы вытекает Теорема 3. При делении комплексных чисел модули делятся, а аргументы вычитаются, точнее rt (COS at +1 sin a,) n r , \ i ¦ ¦ / \i /o\ -^7 . . .- = — Г cos (a, — a,) 4-1 sm (a, — a.2)l. C) Г-, (COS as +1 sin a2) rs L v ' *' ' v ui
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 237 Доказательство. Частное, как и любое комплексное число, можно записать в тригонометрической форме. Пусть эга запись будет: r0 (cos а0 -\~ i sin а0). По определению частного тогда г, (cos a, -\- i sin o^) = r.2 (cos а.2 -|- i sin оц) • r0 (cos a0 -\- i sin o0) = = Vo [C0S К + откуда, включая в <х0 слагаемое, кратное 2к, находим: rl= ai=a2-bao. T- e- ro = ~> ao = ai—ai' чем теорема доказана. При совпадении сомножителей из теоремы 2 получается так на- называемая формула Муавра [г (cos о -\- i sin a)]" = г" (cos па ~\-1 sin па). D) Теперь легко решается вопрос об извлечении корня из комплекс- комплексного числа. Теорема 4. Пусть z — комплексное и п — натуральное число. В поле комплексных чисел у z имеет при z = 0 единственное зна- значение 0, а при z уЬ 0 имеет п различных значений. Если z = r (cos a -|-1 sin а), то эти значения находятся по формуле (*=0, 1, 2, .... л—1). E) Доказательство. О" — 0 и из х" = 0 в силу отсутствия делителей нуля в поле К (§ 8, теорема 1) следует лг = О. Таким образом, при z:=0 единственное значение у z есть 0. Пусть z = r (cos a -\- i sin а) ^Ь 0. Тогда г ^ 0 и аргумент а определён с точностью до кратного 2я. Пг— Предположим, что у г имеет значение х в поле комплексных чисел. Это означает, что x" = z. По теореме 1 число х можно записать в тригонометрической форме: х = г' (cos a -\ i sin а'), г' ^> 0. Тогда по формуле Муавра D) находим: г'" (cos па' -|- i sin ли') = г (cos a -}- i sin а), откуда г =г, иа =а-[-2А7:, г = у г , а =
238 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Можно считать, что целое число k удовлетворяет условию OsS-kz^n—1. В самом деле, деля k на п, находим: k = nq-\-ku где q и &, — целые числа и 0^k1^n—1. Тогда но так как аргумент числа х определён лишь с точностью до крат- кратного от 2тс, то можно считать, что он равен -^-i—1^. Итак, пг- I a + 2far . . . а + 2/иг \ Jt= i/т- (cos—^ |-гsin—^ 1 (Oss/fesg/z—1). Мы доказали, что если существует значение \/z, то оно совпа- • дает с одним из п чисел zk, определяемых равенством E). Легко показать, что все числа zk, определяемые из E), действи- тельно являются значениями у z и притом даже при любом целом k. В самом деле, z^ = (у г )" (cos —^L 1_ t sin —Z_ 1 z= r (cos a _|_ / Sjn a) == Zm Наконец, покажем, чго все п чисел zk при А = 0, 1, 2, ..., и—1 различны между собой. Если k ф I, то по теореме 1 из г ф 0 и zk = zt следует га л ' с целым т, откуда к-—1=тп. Но из 0=< k<^n и 0^1<^п сле- следует |А — /|-\Я, т. е. \тп\<^п, |/и1<Ч, и так как /и — целое, то т = 0, k = l, что невозможно. Теорема доказана. Из равенств E) ясно, какой геометрический смысл имеют значе- значения -\fz при z^zO. Так как модуль у всех чисел zk общий, то точки, изображающие эти числа, лежат на окружности радиуса \ г с центром в начале координат. Аргументы соседних чисел zk и zk+l 2гс отличаются на ¦—, и следовательно, точки, изображающие числа zk, лежат в вершинах правильного и-угольника, вписанного в упо- упомянутую окружность, причём одна из вершин изображает число z0 а с аргументом --, чем однозначно определяется положение осталь- остальных вершин. Пг После выяснения геометрического смысла значений уz получен- полученные прежде (§ 26, теорема 4) свойства корней из действительных чисел получают наглядное истолкование.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 239 Пусть надо найти действительные значения \fz из действитель- действительного числа г^О. Эги значения изобразятся вершинами указанного выше правильного /z-угольника, лежащими на действительной оси. Отсюда сразу ясно, что действительных значений может быть не более двух, и если их два,. то они равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Если z~^>0, то его аргумент а = 0 и вершина, изображающая число z0, лежит на положительной, действи- действительной полуоси. При чётном' п противоположная вершина также попадает на действительную ось, и мы получим два действительных значения корня; при нечётном же п другая вершина не может попасть на действительную ось, и мы получаем одно действительное значение. Если z<T0, то а = ъ. Число zk будет действительным, гт И + 2Й1С если его аргумент кратен тс. При нечётном п аргумент —! = = я i— будет кратен тс при k==^-^—, и мы получим одно действительное значение корня с аргументом тс, т. е. отрицательное, Ik +1 а при чётном п аргумент я ——— не может быть кратным тс, и мы вовсе не получим действительных значений корня. Свойства модуля. Модуль комплексного числа z обозначается через | z |. Совпадение этого обозначения с обозначением абсолют- абсолютной величины в случае действительного z не ведёт к противоречию, ибо если г=а-\-Ы — действительное число, то Ь = 0, и для модуля z находим: т. е. модуль действительного числа совпадает с его абсолютной величиной. Комплексные числа и z =а — Ы называются сопряжёнными. Очевидно, что сопряжённые числа имеют одинаковый модуль. Далее, произведение сопряжённых чисел равно квадрату их модуля: zz={a -f Ы) (а — Ы) = а2 -\- ft* = г. Отсюда YTz. F) Модуль комплексного числа обладает свойствами, аналогичными свойствам абсолютной величины элемента расположенного поля (§ 10, теорема 8), а именно: для любых комплексных чисел х и у.
240 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ В самом деле, равенство G) содержится в теореме 2. Если же не использовать тригонометрическую форму чисел, а принять за определение модуля | z \ равенство F), то G) можно доказать так: = \х\- \у\. Для доказательства (8) сначала докажем равенство |1+.г|^1+И- (9) Пусть z—a-\-bi. Тогда оьсуда | 1 -\-z |=s; 1 -{-] z|, т. е. (9) доказано. Теперь докажем (8). Для лг = О неравенство (8), очевидно, вы- выполнено. Если х ф 0, то х-\-у\ = \х ( что и требовалось доказать. Определения предела последовательности, фундаментальной по- последовательности и полноты поля (§ 24, определения 3—5) исполь- используют лишь понятия абсолютной величины элементов, а доказатель- доказательства свойств этих понятий (§ 24, теоремы 1—3) используют лишь свойства абсолютной величины, доказанные в теореме 8 из § 9, т. е. |а|>0 для афО, \аЬ\ = \а\\Ь\, | Равенства G) и (8) показывают, что модуль | z | комплексного числа z обладает аналогичными свойствами. Поэтому в поле ком- комплексных чисел имеют смысл понятие предела последовательности и другие вышеуказанные понятия и сохраняют силу многие из свойств этих понятий. Точно так же основные понятия и теоремы математического анализа сохраняют силу при переходе от поля действительных к полю комплексных чисел. Их рассмотрение со- составляет обширную и стройную теорию, называемую теорией функ- функций комплексного переменного '). 1) См. Э. э. м., кн. 3, В. Л. Гончаров, Элементарные функции в ком- комплексной области.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 241 § 30. Гиперкомилексные числа, кватернионы В этом параграфе нам придётся пользоваться понятиями вектор- векторного пространства и основными его свойствами, а также свойствами многочленов с комплексными или действительными коэффициентами. Нужные свойства мы будем точно формулировать, но за их дока- доказательствами отсылаем читателя ко второй книге «Энциклопедии»'). Любое комплексное число представляется в виде а -\- Ы = а • I -\~ Ы (§ 28, теорема 1), т. е. линейно выражаетсл через два числа 1 и i с действительными коэффициентами а и Ъ. После того как ком- комплексные числа получили всеобщее признание в науке, естественно возник вопрос, нельзя ли построить числа, более общие, чем ком- комплексные, которые линейно выражались бы через данные п из них с действительными коэффициентами. В середине XIX столетия английским математиком Гамильтоном были построены такие числа для я =4, названные им кватернионами. Однако для этого при- пришлось отказаться от коммутативности умножения. Позднее было доказано, что это не случайно: поле действительных чисел (при я=1) и поле комплексных чисел (при я = 2) оказались единствен- единственными полями такого рода. Имея в виду кватернионы и более общие системы, играющие в современной алгебре важную роль, мы в настоящем параграфе будем понимать под кольцом более общее образование, чем до сих пор. Именно, мы откажемся от коммутативности умножения (§ 7, свойства 1, IV). Тогда вместо одного закона дистрибутивно- дистрибутивности (§ 7, VI) надо требовать выполнения двух условий: VI'. {a^-b)c = ac-\-bc, с (а + Ь) = са -\- cb. Соответствующее обобщение даётся понятию поля. Здесь вместо одного закона обратимости (§ 8, свойства I, VII) требуется: VII'. Для любых а и Ъ, где а^О, уравнения ax = b, ya=^b имеют .решения. В отличие от колец здесь принято изменение терминологии. Множество Р с операциями сложения и умножения, обладающими свойствами I — III, V из § 7, VI' и VII' и содержащее более одного элемента, называется телом. Элементы тела, отличные от нуля, образуют группу '(вообще говоря, некоммутативную). Поэтому, как и в случаях поля, тело обладает единицей, а всякий его элемент, отличный от нуля, — обратным элементом. ¦) См. Э. э. м., кн. 2, А. И. У з к о в, Векторные пространства и линейные преобразования. 16 Энциклопедия, кн. 1.
242 понятия множества, группы, кольца и поля Определение 1. Множество R называется п-мсрным век- векторным пространством над данным полем Р, если в R опреде- определена операция сложения, относительно которой R является коммутативной группой (§ 6, определение 2), и если, кроме того, определено умножение элементов из R на элементы поля Р, обладающее следующими свойствами: 1) Произведение ах любого элемента а из Р на любой эле- элемент х из R есть некоторый элемент из R. 2) а(х-\-у) = ах-\-ау для любых а из Р и х, у из R. 3) (a-\-b)x = ax-\-bx для любых а, Ъ из Р и х из R. 4) (ab)x=a(bx) для любых a, b из Р и х из R. 5) В R существует п элементов еи ..., еп (базис R) таких, что любой элемент х из R однозначно представляется в виде х = а^ -f a2e2 -f ... -f anen, где alt а2, ..., ап — элементы поля Р, называемые компонентами вектора х. Отсюда легко следует, что сложение двух векторов сводится к сложению их компонент и умножение вектора на элемент поля Р— к умножению компонент на данный элемент. Поэтому л-мерное векторное пространство над полем Р можно также определить, как совокупность всех упорядоченных систем (а,, а2, ..., ап) из п элементов поля Р с указанными выше сложением и умножением на элементы из Р. Определение 2. п-мерное векторное пространство R над полем Р называется алгеброй (или гиперкомплексной системой) ранга п над полем Р, если в R, кроме сложения, определена операция умножения, причём относительно этих двух операций R является кольцом (не обязательно коммутативным) и умножение в R связано с умножением его элементов на элементы из поля Р следующим условием: 6) (ах)у—х(ау) = а(ху) для любых а из Р и х, у из R. Если при этом кольцо R является телом, то R называется алгеброй с делением. Из 6) следует: A) для любых a, b из Р и х, у из R. Отсюда в силу законов дистрибутивности VI' следует, что про- произведения любых элементов из R вполне определяются произведе- произведениями базисных элементов, так как если = Л aiei' у=
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 243 то ••=1 Каждое произведение е,-еу- в силу 5) линейно выражается через базис в виде я где ctjk — элементы поля Р, однозначно определяющие произ- произведения efij. Условиями B) и C) произведение любых элементов из R вполне определено, причём законы дистрибутивности VI' будут автомати- автоматически выполнены. Для выполнения закона ассоциативности умноже- умножения для любых элементов из R достаточно потребовать его выпол- выполнение для элементов базиса. Это даёт условия («I*/)ek = et{eiek) (I, j, k=l, 2, .... л). D) Вычисляя здесь произведение элементов базиса согласно C), мы получаем условия, связывающие элементы Сук, при выполнении кото- которых в R справедлив закон ассоциативности умножения. Таким образом, алгебры ранга п над полем Р вполне определяются заданием поля Р ранга п и п3 элементов cijk (i, j, k= 1, 2, ..., n) из поля Р, удо- удовлетворяющих условиям C) и D), где е1г е2, ..., еп — данный базис пространства R; п3 элементов cijk поля Р называются структур- структурными константами или постоянными умножения данной алгебры R. Приведём простейшие примеры алгебр. Пример 1. Поле действительных чисел D является одномер- одномерным векторным пространством над тем же полем D с базисным элементом 1. Считая произведение ах вектора х на числа а совпа- совпадающим с обычным произведением чисел а и х, получим алгебру ранга 1 над полем D. При базисном элементе 1 единственная структурная константа сш=1. Если за базисный элемент принять любое число афО, то из а2 = а • а следует, что новая структур- структурная константа будет: с'п1 — а. Очевидно, что D — алгебра с деле- делением и притом коммутативная. Пример 2. Поле комплексных чисел К является двумерным векторным пространством над полем действительных чисел D с бази- базисом из двух элементов 1, i, так как любое комплексное число представляется в виде а- \-\-bi с действительными а и Ь. Считая произведение ах вектора х на действительное число а совпадаю- совпадающим с обычным произведением а и х, получим алгебру ранга 2 над D. Из правил умножения базисных элементов A • 1 = 1, 16*
244 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ i • i = — 1, 1 . / = /. 1 =/) находим значения всех 2:' = 8 структур- структурных констант в данном базисе: СП1==1| сЦ2==0, Cjoi = О, С122=1, С211 =0, С<21<2==:1, С221 = 1, С222=="! К—коммутативная алгебра с делением. Пример 3. Тело кватернионов. Существует ещё одна алгебра с делением над полем действительных чисел D и призом ранга 4. Это — алгебра кватернионов Q. Будем считать, что Q содержит поле действительных чисел D. Приняв за первый элемент базиса число 1 и обозначив остальные его элементы через i, /, k, находим, что любой кватернион q един- единственным образом представляется в виде E) где а, Ь, с, d — действительные числа. Для полного описания алгебры достаточно задать таблицу умножения базисных элементов. Мы положим: ? = /» = *« = —1, | ij = k, Jk = l, ki=j, 1 F) jl =—k, kj = — /, Ik = —/. J Кроме того, число 1 обладает обычным свойством при умноже- умножении, т. е. 1 • 1 = 1, 1 •/¦ = /• 1 =/ и т. д. Таким образом, ij — —jl, jk = — kj, ki = — ik, т. е. алгебра Q некоммутативна. Остаётся проверить ассоциативность умножения базисные эле- элементов D). Так как соотношения F) симметричны относительно I, j, k, то достаточно проверить равенства, в которых совпадают все три элемента, или два элемента, или все элементы различны, т. е. равенства (П) i=JW, (V)k Проверку этих равенств предоставляем читателю. Покажем, что алгебра Q является телом. Из того, что 1 обла- обладает обычным свойством при умножении на элементы базиса, при- применяя свойства 2) и 6) и выражение E) для кватернионов q, полу- получим: l.q = q-l=q для любого q, т. е. число 1 играет роль единицы кольца Q. Кватернион q = а — Ы — cj — d k
ПОПЕ КОЛ1ПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 245 называется сопряжённым кватерниону q = а-{-bi-\-cj-\-dk. Пользуясь таблицей умножения F), законом дистрибутивности и соотношением A), легко проверить, что qq=qq = Число называется нормой кватерниона q = a-\-bi-\-cj-\- dk. Очевидно, что N(q) = N(q) и N(q)^0, причём N(q)^>0, если q^O. Так как 4 — q~l для любого q ф О, то любой кватернион q ф 0 обладает обратным элементом Отсюда уже следует (см. § 6), что множество всех кватернио- кватернионов, отличных от нуля, образует группу относительно операции умножения. Поэтому кольцо Q является телом, т. е. алгеброй с де- делением над полем действительных чисел D. Для ознакомления с другими свойствами кватернионов, в частно- частности с их геометрическим представлением, отсылаем читателя к книге Э. Чезаро[14], стр. 393—412. Мы рассмотрели три алгебры с делением над полем действи- действительных чисел, а именно ранга 1, 2 и 4. Справедлива замечатель- замечательная теорема о том, что других алгебр такого типа не существует. Точнее любая алгебра с делением над полем действительных чисел изоморфна одной из этих трёх алгебр. Чтобы доказать это, сделаем несколько замечаний, касающихся алгебры над любым полем Р. Если читателя затрудняет рассмотре- рассмотрение любого поля, то он может ограничиться нужным для дальней- дальнейшего случаем поля действительных чисел. Замечание 1. Любой элемент х алгебры R над полем Р является корнем некоторого многочлена с коэффициентами из поля Р, не все из которых равны нулю. В самом деле, если п — ранг R, то любые п -\- 1 элементов xt дгп+1 из R линейно зависимы. В частности, элементы х, дг* хп+1 линейно зависимы, т. е. atx -f- а2дг8 -)-¦•• . ..-(-an + iхп+1 = 0, где а,, а2 ап+1 не все равны нулю. Это значит, что элемент х является корнем многочлена atz -f- a^z% -j- . • • ...-]-а„+1гл+1 с коэффициентами из Р.
246 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ Замечание 2. Равенства вида f {z)-\- g(z)=h(z)i\f (z) • g(z) = — h {z), где / (z), g (z), h (z) — многочлены от одного неизвестного z с коэффициентами из поля Р1), сохраняют силу при замене неизве- неизвестного z любым элементом х алгебры R над полем Р. В самом деле, из 3) следует, что f(x)-\-g(x) = h(x) Далее, хт • хп=хт+п [§ 6, C)]. Отсюда из законов дистрибутивности VI и из соотношений A) и 3) следует, что Замечание 3. Если алгебра R над полем Р содержит еди- единицу е (в частности, если R — алгебра с делением), то R изо- изоморфна алгебре, содержащей поле Р. В самом деле, из 3) и A) следует: (а,е) (а2е) = {аха^) (ее) = (а^) е. Таким образом, множество Р' всех элементов алгебры R вида ае изоморфно полю Р (§ 9, определение 2). По теореме 2 из § 9 (где коммутативность умножения несущественна) существует кольцо R', содержащее Р и изоморфное кольцу R. Определим про- произведение ах' элемента а из Р на элемент х' из R' как элемент R', соответствующий произведению ах из R, где х—элемент из R, соответствующий элементу х" Нетрудно показать, что тогда R1 будет алгеброй над полем Р, причём для элемента х' из Р опре- определённое выше произведение ах' совпадает с произведением эле- элементов а и х", заданным в поле Р. Поэтому единица поля Р будет в то же время единицей алгебры R'. Замечание 4. Алгебра с делением не имеет делителей нуля (§ 7, определение 2). Доказывается это так же, как в случае по- полей: если ху — 0 и хфО, то, умножая обе части равенства слева на л*, получим: _у = 0. Теорема 1. Любая коммутативная алгебра с делением R над полем действительных чисел D изоморфна либо полю дей- действительных чисел D, либо полю комплексных чисел R и имеет ранг 1 или 2. Обратно, любая алгебра с делением R над полем действительных чисел D ранга 1 или 2 изоморфна соответ- соответственно полю действительных или комплексных чисел и комму- коммутативна. Доказательство, а) Пусть R — алгебра с делением надпо- надполем действительных чисел D, содержащая D, но не совпадающая с D. Покажем, что для любого элемента х, не входящего в D, су- существуют действительные числа а и Ъ, где афО, такие, что эле- 1) Понятие многочлена и операций сложения и умножения с коэффици- коэффициентами из некоторого поля Р пнолне аналогично соответствующим понятиям для многочленов с числовыми коэффициентами. Разница лишь в том, что коэффициенты многочленов будут не числами, а элементами данного ноля Р.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 247 мент l — ax-\-b обладает свойством г = —1. (Заметим для даль- дальнейшего, что при этом мы не пользуемся коммутативностью ал- алгебры R.) Согласно замечанию 1 элемент х является корнем многочлена f(z) с действительными коэффициентами, не все из которых равны нулю. Но известно, что любой такой многочлен разлагается на множители первой или второй степени с действи- действительными коэффициентами *). Пусть Я*) =/i (*)/»(*)»./* (г) такое разложение. Тогда, согласно замечанию 2, Но f(x) = 0, и по замечанию 4 алгебра R не имеет делителей нуля. Поэтому ft(x) = 0 для некоторого t^k. Если х — корень многочлена z — с первой степени, то х — с = 0, х=с, т. е. х при- принадлежит полю D, что противоречит условию. Таким образом, х есть корень многочлена второй степени, т. е. х* -\-px-\-q = 0, где р и q — действительные числа, причем -^ ^^О, ибо иначе х был бы корнем многочлена первой степени. Полагая 4 с действительным t, получим: Р! „ /а откуда, деля на ?2, находим: Полагая а = -т- и Ь==~ът> получим элемент l = ax -\-b, для кото- которого Р = — 1, что и нужно. б) Пусть R — коммутативная алгебра с делением над полем действительных чисел D, содержащая D. Если R^ D, то по до- доказанному в R существует элемент I такой, что Р = — 1. По- Поэтому элемент I не входит в D и элементы 1, I линейно незави- независимы. Пусть Ro — множество всех элементов х алгебры R вида x = a-\-bi с любыми действительными а и Ь. Очевидно, что Ro — алгебра ранга 2 над полем D — изоморфна полю комплексных чисел R. Покажем, что R0 = R. Полагая, й = 0 в равенстве х=а-\-Ы, получим: х = а. Следовательно, /?0 содержит поле действительных J) См. Э. э. м., ки. 2, Л. Я. О к у и е в, Кольцо миогочленон и ноле рацио- рациональных функций, гл. I, §6.
248 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ чисел D. Пусть х— любой элемент рлгебры R, не входящий в D. По доказанному в пункте а) существуют действительные числа с, d, где с Ф- 0, для которых элемент j=cx-\-d обладает свойством /8 = —1. Из коммутативности R следует, что lj=jl, откуда С+/) О" —Л='"" - (/ +/* -У = °- Так как согласно замечанию 4 в R отсутствуют делители нуля, то либо /—У = 0, либо i-}-_/ = О, т. е. j = ±i, а потому Поэтому х принадлежит Ro, откуда R0 = R. Итак, алгебра R либо совпадает с D, либо изоморфна полю комплексных чисел R. Согласно замечанию 3 любая коммутативная алгебра с делением над полем действительных чисел изоморфна некоторой алгебре R (очевидно, также коммутативной и с деле- делением), т. е. изоморфна либо полю действительных чисел D, либо полю комплексных чисел R. в) Пусть R — любая алгебра с делением ранга ] над полем действительных чисел D, содержащим D. Приняв за базисный эле- элемент число 1, получим, что любой элемент х из R имеет вид х = а • \=а с действительным а, следовательно, R = D. По за- замечанию 3 любая алгебра с делением ранга 1 над D изоморфна полю действительных чисел D. г) Пусть R — любая алгебра с делением ранга 2 над полем действительных чисел D, содержащая D. Тогда R ф. D. По дока- доказанному в пункте а) в R существует элемент I со свойством fi = — 1. Элементы 1, i линейно независимы, так как иначе ах • 1 -f- -j-ajji = O с действительными а„ а2, отличными от нуля (ибо в силу отсутствия делителей нуля из al = 0 следует а2 = 0, и обратно). Тогда i= —, т. е. принадлежит D, что невозможно ввиду i2 — —1 (§ 10, теорема 7). Так как в л-мерном векторном про- пространстве любые п линейно независимых векторов образуют базис ') и R — алгебра ранга 2, то элементы 1, i образуют базис. Таким образом, любой элемент х из R однозначно представляется в виде х — а-\-Ы с действительными а и Ь. Если х = а-\-Ы и у=с-{- -\-di — любые два элемента из R, то из таблицы умножения эле- элементов легко находим: ху = (ас — bd) -\- (ad -f be) I. Итак, алгебра R изоморфна полю комплексных чисел К- По замечанию 3 любая алгебра с делением ранга 2 над полем ') См. Э. э. м., кн. 2, А. И. У з к о в, Векториые пространства и линей- линейные преобразования.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 249 действительных чисел D изоморфна полю комплексных чисел К. Теорема доказана. Если отказаться от коммутативности умножения, то возможна ещё одна алгебра с делением над полем D — алгебра кватернионов, а именно: Теорема 2. (Теорема Фробениуса.) Любая алгебра с делением R над полем действительных чисел D изоморфна полю действительных чисел D, либо полю комплексных чисел К, либо телу кватернионов Q и имеет ранг 1, 2 или 4. Доказательство. Пусть R — любая алгебра с делением ранга п над полем действительных чисел D, содержащая D. По теореме 1, если п=\, то R изоморфна полю действительных чисел D, а если л = 2, — полю комплексных чисел К- Пусть R имеет ранг л^>2. Тогда R^D. По доказанном}' в пункте а) в R существует элемент /, для которого ia = —1. Как в пункте г), докажем, что элементы 1, I линейно незави- независимы. Так как ранг R больше двух, то в ^ существует элемент х, который нельзя представить в виде a-\-bi с действительными а и Ь. По доказанному в пункте а) существуют действительные числа а' и Ь', где а'фО, такие, что элемент xl = a'x-\-b' обла- обладает свойством лг* = —¦ 1. Элемент xt нельзя представить в виде а-\-Ы с действительными а и Ь, так как иначе и элемент ~ — х — — а' 1 а' также представлялся бы в указанном виде. Поэтому элементы 1, I, х1 линейно независимы. В самом деле, если at • 1 -(- a<j. -j- а3х1== О с действительными а1г а2, а3, то а3 = 0 (ибо иначе Х\ линейно выражался бы через 1, /), а по линейной независимости 1, I тогда также а1 = а.2 — 0. Рассуждая, как в пункте а), находим, что эле- элементы г —[— jcj и I — xt являются корнями квадратных уравнений с действительными коэффициентами, откуда (i-\-х^ = р (i-\- Поэтому — 2-\-lx1-\-xll=p(l-\-xl)-\-g, о ; у- v- ; г (] у ч _]_ с u Lifc | ¦Л'1 L ~' ¦ I 1 *¦ ¦А' | f I О у где р, q, r, s — действительные числа. Складывая эти равенства, получаем:
250 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ откуда в силу линейной независимости элементов 1, I, xt находим: /?-|-г —0, р — г=0, т. е р — г=0. Тогда из G) следует: lXl-\-xti = 2t, (8) где t—-^ (#-1-2) — действительное число. Положим теперь Х2 = =:xl-\-tl; элементы 1, I, х% линейно независимы, так как иначе элементы 1, /, хг были бы линейно зависимы. Из (8) следует: Число /2 — 1 — отрицательное действительное число, так как если t* — 1 ^> 0, то ta — 1 = и2 с действительным и. Из перестановоч- перестановочности х% и а находим: (х,-\-и)(х2-и)=х1-и*=0, т. е. ^2 = ± и — действительное число, что противоречит ли- линейной независимости элементов 1, i, xv Положим х\ = —с2, где с — действительное число и пусть '— с *2' Тогда у'2 = —1 и элементы 1, /, / линейно независимы, ибо 1, /, х2 линейно независимы. Далее, в силу (8) откуда IJ=—JL (9) Положим k=lj и покажем, что k нельзя выразить линейно через 1, i, j. Если k = a -\- bi -\- cj с действительными а, Ь, с, то, умножая это равенство слева на i, получим: ik = i{ij) = —j — ai — b -j- ck = ai — b -\- с {a -\- bi -j- cj), откуда {ac _ b) -f (a + be) I -(- (c2 + l)y = 0, и в силу линейной независимости элементов 1, I, j должно быть с2-)-1=0, са = —1, что невозможно, так как с-—число действи- действительное. Рассуждая, как выше (для 1, i, x{) докажем, что элементы 1, /, у, k линеГшо независимы. Таким образом, ранг алгебры R не меньше четырех.
ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ 251 Покажем, что элементы i, j, k обладают таблицей умноже- умножения F). Мы уже имеем: is=y2=—1 и j = k. Далее, в силу (9): &=Ш) Ш)=100;=i (—Ш=-1. =j (г/) =j (—/о=i, ki = (ij) i=(—//) /=j, Таким образом, все соотношения F) выполнены. Как было от- отмечено в конце замечания 3, число 1 является единицей алгебры R. Поэтому совокупность Q всех элементов х из R, имеющих вид х = а-\-Ы-\~ cj-\~ dk, с действительными а, Ь, с, d является телом кватернионов. Покажем, что R — Q. В противном случае в R су- существует элементу, не принадлежащий Q. По доказанному в пункте а) существуют действительные числа а и Ь, где а ф 0, такие, что элемент 1=ау-\-Ъ обладает свойством /s = —1, элемент / лежит вне Q, так как иначе у = — 1 лежал бы в Q. Рассуждая, как при выводе (8), найдём: где а, Ъ, с — действительные числа. Отсюда находим: Ik = I (lj) = (ll)j = (а - II) j = aj -1 (//) = т. e. 2lk = c — bi-\- aj. Умножая это равенство справа на k, получим: т. е. элемент I принадлежит Q, что невозможно, следовательно, R = Q. Итак, либо R — D, либо R = K, либо R = Q. Согласно замечанию 3 любая алгебра с делением над полем действительных чисел D изоморфна алгебре R (также с делением), содержащей D, т. е. изоморфна либо полю действительных чисел D, либо полю комплексных чисел К, либо телу кватернионов. Теорема доказана. Заменяя в примерах 1—3 поле действительных чисел D полем рациональных чисел Г получим ещё три алгебры с делением, но уже над полем Г, именно: само поле рациональных чисел Г, поле комплексных чисел вида а-\-Ы с рациональными а и Ъ (так называемое числовое поле Гаусса) и тело рациональных кватер- кватернионов, т. е. кватернионов вида а-\-bl-\-cj-\~dk с рациональными а, Ь, с и d. Заметим, что, заменяя в тех же примерах 1—3 поле действи- действительных чисел D на поле комплексных чисел К, мы в примере 1
252 ПОНЯТИЯ МНОЖЕСТВА, ГРУППЫ, КОЛЬЦА И ПОЛЯ получим само поле К, г в примерах 2 и 3 получим алгебры над К, уже не являющиеся алгебрами с делением. В самом деле, согласно замечанию 1 любой элемент х алгебры R над К, содержащей К, является корнем многочлена f(z) с комплексными коэффициентами. Известно'), что любой многочлен с комплексными коэффициентами разлагается на множители первой степени также с комплексными коэффициентами. Если R — алгебра с делением, то, рассуждая, как в а), найдём, что х является корнем многочлена первой степени с комплексными коэффициентами и, следовательно, сам является комплексным числом. Поэтому R = K. Итак, если R есть алгебра над полем К ранга, большего единицы (как в примерах 2 и 3), то она не является алгеброй с делением. Литература 1. Александров П. С, Введение в общую теорию множеств и функ- функций, Гостехиздат, М.—Л., 1948. 2. Л у з и н Н. Н., Теория функций действительного переменного, Учпедгиз, М., 1948. 3. О куне в Л. Я., Основы современной алгебры, Учпедгиз, 1941. 4. Ван дер ВарденБ. Л., Современная алгебра, ч. I, Гостехиздат, 1947. 5. П р о с к у р я к о в И. В., Числа и многочлены, Издательство АПН РСФСР, 1949. 6. Шмидт О. Ю., Абстрактная теория групп, Гостехиздат, 1933. 7. Курош А. Г., Теория групп, Гостехиздат, 1944. 8. Ефимов Н. В., Высшая геометрия, 2-е изд., Гостехиздат, 1949. 9. К о с т и н В. И., Основавия геометрии, 2-е изд., Учпедгиз, М.—Л., 1948. 10. Дедекипд Э., Непрерывность и иррациональные числа, Одесса, 1923. 11. Хинчин А. Я-, Восемь лекций по математическому анализу, Гос- Гостехиздат, 1943. 12. Курош А. Г., Курс высшей алгебры, 2-е изд., Гостехиздат, М.—Л., 1950. 13. Кузьмин Р. О. и Фаддеев Д. К., Алгебра и арифметика комплексных чисел, Учпедгиз, 1939. 14. Ч е з а р о Э., Элементарный учебник алгебраического анализа и исчи- исчисления бесконечно малых, ОНТИ, 1936. *) См. Э. э. м., кн. 2, Л. Я. О к у н е в, Кольцо мпогочленов и поле рацио- рациональных функций, гл. I, § 6.
А. Я. ХИНЧИН ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЧИСЕЛ
ГЛАВА I ДЕЛИМОСТЬ И ПРОСТЫЕ ЧИСЛА § 1. Введение Значительная часть наиболее актуальных проблем теории целых чисел от глубокой древности до наших дней прямо или косвенно связана с понятием делимости чисел. Причину этого явления легко понять: из четырёх основных арифметических действий только деление не всегда выполнимо в области целых чисел, и поэтому только в отношении деления можно разумным образом ставить вопрос о том, при каких условиях оно выполнимо. Уже самые элементарные понятия теории делимости — наибольший общий делитель, наименьшее общее кратное, взаимно простые числа, абсолютно простые числа и т. п. — не имеют себе никаких аналогов в случае других арифметических действий именно в силу неограниченной выполнимости этих действий. С другой стороны, исторический ход развития арифметической науки показал, что теория делимости чисел, исходя из простейших и наиболее естественных задач, связанных с этим понятием, неиз- неизбежно и очень скоро приходит к образованию новых, более слож- сложных понятий и к постановке новых, более трудных задач. Обще- Общеизвестно, как часто здесь возникают задачи, не только содержание, но и естественность постановки которых понятны и убедительны даже учащемуся средней школы, между тем как решение их подчас веками не поддаётся усилиям величайших учёных. Это делает по- понятным, почему учение о целых числах всегда казалось учёным неисчерпаемым полем для исследования и во все времена привлекало к себе внимание наиболее выдающихся умов. В этих исследованиях русские, а позднее советские научные школы всегда занимали и до сих пор занимают одно из ведущих мест. Со времён Эйлера наша Академия наук давала — и даёт до настоящего времени — блестящие образцы создания как новых глубоких проблем, так и сильнейших методов их решения. Доста- Достаточно упомянуть созданную нашим великим Чебышевым замеча- замечательную школу арифметических исследований, равной которой за
256 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЧИСЕЛ последнее столетие не было и нет во всём мире и традиции которой в руках блестящей плеяды советских математиков и сегодня ещё приводят к глубочайшим достижениям'). Нам предстоит здесь в кратком очерке проследить развитие некоторых разделов этого учения от древнейших времён до наших дней, уделяя — там, где это нужно, — особое внимание методоло- методологической и педагогической стороне дела. § 2. Однозначное разложение чисел на простые множители Для всех многообразных разветвлений теории делимости цен- центральное место занимает теорема об однозначной разложимости чисел на простые множители: Основная теорема. Всякое натуральное число, кроме 1, может быть представлено как произведение простых множи- множителей; это представление единственно, если отвлечься от порядка множителей. Последнее означает, что если мы имеем где все pt и qj — простые числа, то s = r и числа qf лишь по- порядком расположения могут отличаться от чисел /;,-. Примечание. Число р^>1 называется простым (или абсо- абсолютно простым), если оно не имеет других делителей, кроме р и 1. Все другие числа, превосходящие 1, называются составными; число 1 занимает особое положение, не будучи ни простым, ни составным. К сожалению, до недавнего времени почти все наши учебники причисляли единицу к простым числам; да и сейчас ещё сохранились среди методистов влиятельные сторонники этой традиции, несмотря на её грубую ошибочность, многократно дока- доказанную. Вопрос о том, считать ли единицу простым числом, не есть, как это могло бы казаться, вопрос терминологии или вкуса. Называя единицу простым числом, мы немедленно делаем невер- неверными почти все теоремы, связанные с простыми числами. Доста- Достаточно указать, что только что формулированная нами основная теорема при этом становится неверной, ибо, например, число 5 может быть разложено на простые множители бесконечным мно- множеством способов: 5=1-5=1 -1-5=1 - 1.1-5=...; если 1 — простое число, то все эти разложения различны между собою (хотя бы потому, что число множителей в них различно). *) Важнейшие этапы развития этой школы очень детально изложены в книге Б. Н. Делоне, Петербургская школа теории чисел, Издательство АН СССР, 1947.
ДЕЛИМОСТЬ И ПРОСТЫЕ ЧИСЛА 257 Перейдём теперь к доказательству основной теоремы, которое во многих отношениях представляет методологический интерес. Прежде всего очень легко доказать возможность разло- разложения. Пусть л^>1—любое натуральное число. Среди его дели- делителей существуют числа, превосходящие 1 (например, само число п). Пусть рх ¦— наименьший из таких его делителей; очевидно, pt есть простое число, ибо иначе оно имело бы такой делитель а, что l<Ca<O;i; но а> будучи делителем pv было бы и делителем числа п, что, очевидно, противоречит определению числа pt; итак, п=р1п1, где рх — простое число. Если щ~^>\, то, поступая с ним так же, как мы только что поступили с числом п, мы представим его в виде «i=/tyz2, где /?2 — простое число; отсюда я—/?j/?2/z2; если ещё «8^>1, то этот процесс, очевидно, можно продолжать и далее. Так как при этом п^>п1^>п%^> , то проводимый нами процесс после конечного числа шагов должен прекратиться, что может наступить лишь при условии, что какое-либо nk=l. Но тогда ¦¦• Pk> где ри р2, ... , pk — простые числа. Этим и доказана возмож- возможность разложения любого натурального числа л^>1 на простые множители. Теперь мы должны убедиться в единственности такого разложения, что представляет собою задачу значительно более трудную. Исторически очень интересно, что неочевидность этой единственности (а значит, и необходимость её доказательства) была осознана сравнительно поздно, после того как долгое время уже пользовались ею как самоочевидным фактом. Невидимому, Гаусс впервые настойчиво указывал на то, что невозможность двух суще- существенно различных разложений одного и того же числа на простые множители отнюдь не самоочевидна и нуждается в строгом доказа- доказательстве. Даже такие выдающиеся учёные, как, например, Лежандр, писавший незадолго до Гаусса, не замечали этого. Дальнейшее развитие теории чисел показало, в какой мере Гаусс оказался прав не только с формально-логической, но и с идейной точки зрения. В XIX столетии учёным пришлось исследовать законы дели- делимости для областей, более сложных, чем числа натурального ряда, — для так называемых целых алгебраических чисел. Законы эти во многом напоминали то, что мы имеем в области натуральных чисел, но вместе с тем иногда оказывались и существенно иными; в част- частности, здесь имеются простые числа, и любое число разлагается на простые множители; но разложение это, вообще говоря, неодно- неоднозначно, и именно это обстоятельство создало в арифметике алге- алгебраических чисел новую, своеобразную трудность, совершенно не- незнакомую обычной арифметике натуральных чисел и в настоящее время успешно преодоленную. 17 Энциклопедия, кн. 1.
258 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЧИСЕЛ Доказательство единственности разложения натуральных чисел на простые множители обычно имеет своим основанием следующее весьма замечательное предложение, которое оказывается полезным и во многих других задачах теории чисел. Теорема 1. Если натуральные числа а и Ъ взаимно просты, то существуют такие целые числа х и у, что ах —by— 1. Эту теорему обычно доказывают, опираясь на алгорифм Евклида и теорию цепных дробей. Мы увидим в главе III, как это может быть сделано. Здесь же мы приведём другое, методологически очень поучительное доказательство, данное Гауссом и свободное от применения каких бы то ни было алгорифмов. Пусть d есть наименьшее положительное число, которое может быть представлено в виде d = ax — by A) при надлежащем выборе целых чисел х и у. Мы должны доказать, что d=l; а так как числа а и b взаимно просты, т. е. не имеют других положительных общих делителей, кроме 1, то для этого достаточно убедиться, что как а, так и Ъ делятся на d. В силу полного равноправия чисел а и Ъ достаточно, разумеется, провести доказательство для какого-нибудь одного из них; мы покажем, что а делится на d. Пусть а при делении на d даёт в частном т и в остатке г, так что a — md-\-r (O^r<cf). Отсюда г=а — md = a — т (ах — by) = а A — тх) — Ъ (— ту) = ах'—by1, где положено: х' = 1 — тх, У = — ту. Таким образом, число г может быть представлено в виде ах' — by1 с целыми х', у1. Так как r<^d, a d есть по определению наименьшее положительное число, представимое в форме ах — by, то число г не может быть положительным; следовательно, г=0 и a = md, т. е. а делится на d, что и требовалось доказать. Заметим, что мы в сущности доказали теорему, применимую к любым целым числам а и b (не обязательно взаимно простым), а именно: Наименьшее положительное число d, представимое в ви- виде ах — by с целыми х и у, есть наиболыигш общий делитель чисел а а Ъ. В самом деле, что d есть общий делитель чисел а и Ь, нами уже доказано; но этот общий делитель является наибольшим, так