要約
この課では、自然数から整数を構成する。各整数は自然数の対 の類として定義され、これらの対は、自然数の範囲には存在しなくても差 を表す。類の和と積は代表元を用いて定義し、結果が選んだ代表元によらないことを証明する。自然数は整数の中に含まれ、零と反数が現れ、すべての整数が自然数、零、自然数の反数のいずれかであることを証明する。これを土台として、符号の規則、零因子が存在しないこと、積の簡約法則、順序の性質を証明し、負の被除数の余りのある割り算を自然数の被除数の割り算に帰着させる。
学習目標
- 整数を自然数の対の類として構成し、対の同値が同値関係であること、および類の和と積が矛盾なく定義されることを証明する。
- 整数の中で自然数、零、反数を見分け、すべての整数がそのうちちょうど一つであることを証明する。
- 加法と乗法の性質から、符号の規則、零因子が存在しないこと、積の簡約法則を証明する。
- 整数の順序を定義し、演算との両立性を証明し、それを負の被除数の余りのある割り算に応用する。
整数の構成
数の集合についての課では、整数を自然数、零、自然数の反数を合わせた集合として紹介し、その性質を述べた。しかし、性質を述べることはそれを証明することではない。負の数とは何かを言わないかぎり、符号の規則や、順序と乗法の両立性は取り決めであって定理ではない。この課では、ペアノの公理と自然数の演算だけを手段として整数を構成し、構成からそれらの規則をすべて導く。このコースの他の部分と同じく、自然数は から始まる。零はこの構成で初めて現れる。
考え方は次のとおりである。方程式 が自然数の解をもつのは のときに限り、その解は差 である。そうであるならば、負の数は、それを生じさせるはずの自然数の対 によって表される、まだ実行できない引き算と考えることができる。多くの対が同じ引き算を表す。例えば、、、 は を表し、 と はまだ存在せず、やがて となるものを表す。二つの対 と は、 のとき同じ引き算を表す。この条件は存在しないかもしれない差を用いるが、両辺に を加えると、つねに意味をもつ自然数の間の等式になる。
定義(同値な対)。二つの自然数の対 と が同値であるとは(このとき と書く)、 が成り立つことである。
自然数の対を点とする格子において、 を横軸に、 を縦軸にとると、対 は と同値である。 だからである。したがって、与えられた対と同値な対は、対角線に平行な一本の直線の上に並び、その直線に沿って右へ一つ、上へ一つずつ進む。この関係を対の同一視に使うには、それが等号のようにふるまわなければならない。すなわち、どの対もそれ自身と同値であり、関係は対を挙げる順序によらず、第三の対と同値な二つの対は互いに同値である。言いかえれば、反射的、対称的、推移的でなければならない。これが集合・関係・関数についての課の意味での同値関係であり、その課の、整数を構成することになる関係についての例は、この構成を予告していた。
自然数の対の同値は反射的、対称的、推移的である。すなわち同値関係である。 最初の二つの性質は加法の交換法則に帰着する。三つ目には加法の簡約法則が必要であり、これは自然数の演算についての課の例題 1 で証明した。図は対 、、 を追う。
証明
反射性:対 はそれ自身と同値である。条件が加法の交換法則そのものだからである。
対称性: が と同値ならば、両辺を入れかえ、それぞれの和の順序を交換すると、 と についての条件が得られる。
推移性: が と同値であり、 が と同値であるとする。
二つの等式を辺ごとに加える。
結合法則と交換法則により、各辺の四つの項を、 が両辺に現れるように組みかえる。
加法の簡約法則により を取り去る。対 と は同値である。
対の類としての整数
対の同値は同値関係であるから、集合・関係・関数についての課の一般的な結果がそのまま成り立ち、繰り返す必要はない。対 の類とは、 と同値な自然数の対全体の集合である。その課の記法では となるが、ここでは簡単に と書く。類に属する各対を、その類の代表元という。格子の上では、類は対角線に平行な一本の直線上の点の集合である。そこで証明した同値類についての補題により、二つの対が同値であるのはそれらの類が等しいとき、かつそのときに限り、共通の対をもつ二つの類は一致する。さらに、同値関係と分割についての定理により、類は自然数の対全体の分割をなす。このことから、二つの類を比べる規則が得られる。
定義(整数)。整数とは自然数の対の類のことである。整数全体の集合を で表す。これは、自然数の対全体の、対の同値による商集合である。
この定義は奇妙に見えるかもしれない。一つの数が対の無限集合になってしまうからである。しかし、分数ではすでに同じことが起きている。 と は同じ数の異なる表し方であり、定義されるのはそれらすべてに共通するものである。類 が となり、類 が となり、類 が となる。これらの名前を使う前に、演算を定義し、自然数が実際に整数の中に含まれていることを確かめなければならない。
類の和と積
演算は、差が存在したとしたら起こるはずのことをまねて定義する。 が を表し、 が を表すならば、二つの差の和は となり、積は展開すると となるはずである。この計算は証明ではない。まだ存在しない差を用いているからである。これは定義を選ぶのに役立つものであり、定義には自然数の和と積だけが現れる。
定義は代表元を用いて計算するが、一つの類には代表元が無限にある。代表元を取りかえると結果が変わるのなら、この定義は何も定義していないことになる。同じ演算に対していくつもの値を与えてしまうからである。したがって、結果が類だけによることを証明しなければならない。このとき、演算は矛盾なく定義されるという。
対 と が同値ならば、すべての対 に対して、対 と は同値であり、 と も同値である。したがって、二つの整数の和と積は、選んだ代表元によらない。 代表元は一度に一つずつ取りかえれば十分である。まず第一の項または因数の代表元を、次に第二のものの代表元を取りかえる。図では、同じ類の代表元 と 、および対 を用いる。
証明
仮定から出発する。 と は同値である。
和:結合法則と交換法則により項を組みかえ、仮定を代入する。 と の同値の条件が得られる。
積: が に等しいことを示せばよい。分配法則により、左辺は二つの積にまとめられる。
二つの括弧に仮定を代入し、もう一度分配すると、右辺が得られる。
第二の項または因数の代表元を取りかえるには、定義が対称であることに注意すれば十分である。自然数の交換法則により、 を定める対は を定める対と同じであり、和についても同様である。
まず一方の代表元を、次にもう一方を取りかえても、結果の類は変わらない。整数の和と積は矛盾なく定義される。
加法と乗法の性質
演算が矛盾なく定義されたので、整数の各性質は代表元を用いた計算で証明でき、それぞれがそれを支える自然数の性質を受け継ぐ。すべての整数 、、 について、次の性質が成り立つ。
- 加法の交換法則と結合法則。自然数のそれぞれの法則から成分ごとに受け継がれる。
- 乗法の交換法則。前の証明のステップ 5 と同じように、自然数の加法と乗法の交換法則から受け継がれる。
- 乗法の結合法則と分配法則。自然数の結合法則、交換法則、分配法則から受け継がれる。
- 加法の単位元:類 。これはすべての対 を含む。
- 反数:各類 に対して類 。これは対を対角線に関して折り返して得られる。
- 乗法の単位元:類 。
後の四つは短い計算である。分配法則については、両辺を定義によって展開すると同じ対が得られる。
乗法の結合法則については、 の二通りのまとめ方が、分配した後に、四つの項の和からなる同じ対を与える。
単位元と反数については、類を比べる規則を適用すればよい。 である。 だからである。対 は を定めるが、これは と同値である。条件の両辺がともに に等しいからである。そして であり、これは二つの成分が等しい対の類である。
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