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 現代数学の黎明
文献
  1. ユークリッド原論、中村幸四郎など訳・解説、共立出版
  2. 高木貞二、解析概論、岩波書店, (第一版は 1938)
ユークリッド原論における実数

ユークリッド原論では有理数は「通約量」、無理数は「不可通約量」と 呼ばれており、第 5 巻の「比例の理論」で議論が展開されている。 以下の内容は「ユークリッド原論」の「解説」から読み取ったものです。

第 5 巻の中に、比の相等の定義があり、そこには

定義 5. 量の比 a : b が c : d に等しいとは、次の条件が成り立つことである。 すなわち任意の整数 M, N に対して
Ma>NbならばMc>Nd
Ma=NBならばMc=Nd
Ma<NbならばMc<Nd

上のままでは何を言っているのかわかりません。ユークリッドの時代では 辺の比のようなものを数と考えているようなので

α = a/b,    γ = c/d

と置いてみると、

α, γ が等しいとは、次の条件が成り立つことである。 すなわち任意の整数 M, N に対して
α>N/Mならばγ>N/M
α=N/Mならばγ=N/M
α<N/Mならばγ<N/M

もう少し書き直してみましょう。

実数 α, γ が等しいとは、次の条件が成り立つことである。 すなわち任意の有理数 q に対して
α>qならばγ>q
α=qならばγ=q
α<qならばγ<q

おわかりでしょうか、実数 α、γ が等しいのは α、γ の定める (デデキントの) 切断の上組、下組がそれぞれ等しいこととして定義されているわけです。 端的に言えば、「ユークリッド」は「デデキントの切断」で実数を定義したことになります。 ユークリッド原論の解読には「デデキントの切断」はなくてはならないものです。

無論、古代ギリシャには 0 も負の数もなく、数直線も左半分がない不十分な ものですが、現代の実数論の萌芽を読み取っていたことになります。 デデキントはユークリッド原論を読み取り、それを使用して更に「実数の連続性」 を示していますから、ここで大幅な進展をみることになります。

注意
  1. 「原論」の第 5 巻はエウドクソス (BC 400 - 350 頃) による多くの定理を、 ユークリッドが証明を付けて編集したもののようです (プロクロスの「注釈」) から元々はユークリッド原論より古い。
  2. 「原論」の第 10 巻で「無理量論」が展開されており、
    のような無理数を扱っています。これは「原論」の第 13 巻で正多面体を 扱うことを目的としたもので、この目的のためにのみに「原論」 の「無理量論」があります。「原論」には負の数がありませんから, 2 つの数
    を別々に扱う必要があります。これで「原論」の第 10 巻がとても、 長くなってしまったようです。
  3. 現代数学では実数の構築の上に幾何学が存在しますが、 「原論」の「無理量論」の上には「正多面体」があるのみです。 しかし、それにしてもよく「デデキントの切断」に気が付いたものだと思います。 到底、一朝一夕にはできることではありません。
  4. 「実数の連続性」とは次のことです。 有理数の切断から実数が決まりますが、更に実数の切断をしても これ以上増えない (実数のみしかない。別の言葉では実数の基本列は実数の中で常に収束する。)。古代ギリシャはさすがにここまで到っていないようです。

古代ギリシャにも実数論の芽がありましたが、これが育つにはデデキントを 待つ必要があったわけで、実に 2000 年以上の時間が必要であったことになります。

ユークリッド原論をどう考えるか

「ユークリッド原論」はそれが書かれた当時ではとても洗練されたもので あったことは疑いの余地がありません。 それが「口伝えの数学」に由来するもので、完成までに数千年を必要としたと 考えることもできるはずです。 いやむしろ、こう考えるべきだと思います。実数を「デデキントの切断」で定義することが、 一朝一夕でできたはずがないためです。

もう少し言うべきでしょう。「三平方の定理」の証明はともかく比較的に簡単にできます。 問題なのは、ここで無理数に直面することだと思います。どうすれば解決するか、 そのために「ユークリッド原論」は「平面幾何」を自己完結的に展開し、それを使用して、 数論、代数などを構築し、一番危なっかしい「実数論」を後回しにしたわけです。 このように議論を展開したのは「実数論」を先に展開すれば、非常におかしなことになる ためだと思います。

注意

a, b, c が実数のとき、ユークリッド原論では図から

a(b + c) = ab + ac   (分配法則)
を示しています。縦が a, 横が b + c の長方形の面積を考えれば明らかですが、 こうすると実数の性質を示すのに幾何学を使用することになります。そのため、幾何学の証明に実数の 性質を使用すると非常に変なことになり、 論理的に破綻することになります。「ユークリッド原論」では 幾何学の証明には比例などの実数の性質を 使ってはいけないのです。「ユークリッド原論」では実数の性質を導くために 図ないしは幾何学を使用するからです。そして、これが厳密な「ユークリッド幾何学」 では比例を使用してはいけない本当の理由です。

現代数学では実数の分配法則などの性質を示すのに図は使用しません。

実数には実数でまた別の問題があります。 例えば 0.9999 と 1 が等しいかというような問題が生じることは「ユークリッド原論」 よりもはるかに以前に知られていたはずです。このため、論理の根拠を「実数」におくことをせずに 「平面幾何学」に置かざるを得ず、そのために「公理」のみによって平面幾何学を 展開する必要があったのでしょう。 しかし、ここまでするには数千年の歴史があったと考えるほうが正しいと思います。

注意
古代ギリシャのみに限定すれば、無理数の発見はピタゴラス学派によるとされており、 これ以後、ユークリッドに至るまでに、古代ギリシャでは無理数の理論に関しての大幅な進展を見ることになります。 これに関しては別のページで扱っています。
無理数の発見の歴史
ピタゴラス学派によって発見されたことは「√2 が無理数であること」です。 しかしそれ以前にも、 古代ギリシャのような厳密な論理に基づくことはできなかったかもしれませんが、 誰かが単に気がついたとしても不思議ではないと思います。古代バビロニアでは円周率πを 分数で近似する話が登場しますから、√2を分数で近似することを考えても不思議ではなく、 これが単に不可能であることに気がついても不思議ではないと思います。 色々なちぎれ途切れの知識が累積し、それを厳密な論理で整理したのが古代ギリシャであると 考えても不思議ではないと思います。
追加

私は学生時代に高木貞二の「解析概論」を読んだときに、非常に違和感を 持ったことを覚えています。デデキントの切断が出てくるのは定義だけで、 分配法則、結合法則などの証明には基本列 (コーシー列) を使用しています。 本質的にはカントールの方法を使用しながら、看板だけ「デデキントの切断」 を揚げている。「ユークリッド原論」の「解説」を読んで、 原論の第 5 巻の解読には「デデキントの切断」がどうあっても必要なことだということが わかり、ここにも「解析概論」の意図があるらしいと始めて思い至ることになりました。 もっとも単にこれは高木貞二がヨーロッパの数学の教科書の真似をしただけの結果かもしれません。

ユークリッド原論の第 5 巻は書かれた当初はいざ知らず、その後デデキントに至るまで 2000 年もの間、謎に包まれていたようですから、「デデキントの切断」に 触れるだけでも意味があることのようです。