第5章 複素数
§ 1. 定義
定義 57: 複素数とは、(定まった順序での)実数の対 Ξ1,Ξ2 のことである。この複素数を [Ξ1,Ξ2] で表す。その際、[Ξ1,Ξ2] と [H1,H2] が同じ数(等しい;記号 =)とみなされるのは、
Ξ1=H1,Ξ2=H2
であるとき、またそのときに限る。そうでないときは等しくない(相異なる;記号 =)とみなす。
小文字のドイツ文字は一貫して複素数を表す。
したがって、任意の x と任意の y に対して、
x=y,x=y
のうちのちょうど一方の場合が成り立つ。複素数においては同一性と相等性の概念が混じり合うので、次の三つの定理は自明である。
定理 206: x=x.
定理 207:
x=y
から
y=x.
が従う。
定理 208:
x=y,y=z
から
x=z.
が従う。
定義 58: n=[0,0].
定義 59: e=[1,0].
したがって文字 n と e は特定の複素数のために留保されたままである。
§ 2. 加法
定義 60:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2],
であるとき、
x+y=[Ξ1+H1,Ξ2+H2].
とする。(+ は「プラス」と読む。)x+y を x と y の和、または x に y を加える加法によって得られる(複素)数という。
定理 209(加法の交換法則):
x+y=y+x.
証明: [Ξ1+H1,Ξ2+H2]=[H1+Ξ1,H2+Ξ2].
定理 210: x+n=x.
証明: [Ξ1,Ξ2]+[0,0]=[Ξ1+0,Ξ2+0]=[Ξ1,Ξ2].
定理 211(加法の結合法則):
(x+y)+z=x+(y+z).
証明:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2],z=[Z1,Z2],
であるとき、定理 186 により
(x+y)+z=[Ξ1+H1,Ξ2+H2]+[Z1,Z2]=[(Ξ1+H1)+Z1,(Ξ2+H2)+Z2]=[Ξ1+(H1+Z1),Ξ2+(H2+Z2)]=[Ξ1,Ξ2]+[H1+Z1,H2+Z2]=x+(y+z).
である。
定理 212: x,y が与えられたとき、
y+u=x
はちょうど一つの解 u をもつ。すなわち、
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2]
とおけば、
u=[Ξ1−H1,Ξ2−H2].
である。
証明: 任意の
u=[Υ1,Υ2]
に対して
y+u=[H1+Υ1,H2+Υ2],
であり、要求されるのはちょうど
H1+Υ1=Ξ1,H2+Υ2=Ξ2
であるから、定理 187 がすべてを証明する。
定義 61: 定理 212 の u を x−y と書く(− は「マイナス」と読む)。x−y は x 引く y の差、または x から y を引く減法によって得られる数ともいう。
定理 213:
x−y=n
であるのは、
x=y.
のとき、またそのときに限る。
証明:
Ξ1−H1=Ξ2−H2=0
であるのは、
Ξ1=H1,Ξ2=H2.
のとき、またそのときに限る。
定義 62: −x=n−x.
(左の − は「マイナス」と読む。)
定理 214:
x=[Ξ1,Ξ2]
に対して
−x=[−Ξ1,−Ξ2].
である。
証明: −[Ξ1,Ξ2]=[0,0]−[Ξ1,Ξ2]=[0−Ξ1,0−Ξ2].
定理 215: −(−x)=x.
証明: 定理 177 により
−(−Ξ1)=Ξ1,−(−Ξ2)=Ξ2.
定理 216: x+(−x)=n.
証明: 定理 179 により
Ξ1+(−Ξ1)=0,Ξ2+(−Ξ2)=0.
である。
定理 217: −(x+y)=−x+(−y).
証明: 定理 180 により、
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2]
とおくと、
−(x+y)=[−(Ξ1+H1),−(Ξ2+H2)]=[−Ξ1+(−H1),−Ξ2+(−H2)]=[−Ξ1,−Ξ2]+[−H1,−H2]=−x+(−y).
である。
定理 218: x−y=x+(−y).
証明: [Ξ1−H1,Ξ2−H2]=[Ξ1,Ξ2]+[−H1,−H2].
定理 219: −(x−y)=y−x.
証明:
−(x−y)=−(x+(−y))=−x+(−(−y))=−x+y=y+(−x)=y−x.
§ 3. 乗法
定義 63:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2],
であるとき、
x⋅y=[Ξ1H1−Ξ2H2,Ξ1H2+Ξ2H1].
とする。(⋅ は「掛ける」と読む。ただし、この点はたいてい書かない。)x⋅y を x と y の積、または x に y を掛ける乗法によって得られる数という。
定理 220(乗法の交換法則):
xy=yx.
証明:
[Ξ1,Ξ2][H1,H2]=[Ξ1H1−Ξ2H2,Ξ1H2+Ξ2H1]=[H1Ξ1−H2Ξ2,H1Ξ2+H2Ξ1]=[H1,H2][Ξ1,Ξ2].
定理 221:
xy=n
であるのは、二つの数 x,y の少なくとも一方が n に等しいとき、またそのときに限る。
証明:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2].
とする。
x=n
から
Ξ1=Ξ2=0,
xy=[0⋅H1−0⋅H2,0⋅H2+0⋅H1]=[0,0]=n.
が従う。
y=n
から、定理 220 と 1) により
xy=yx=nx=n.
が従う。
xy=n
から
x=n または y=n
であることを導かなければならない。そこで
y=n,
すなわち
H1H1+H2H2>0,
と仮定してよく、
x=n,
すなわち
Ξ1=Ξ2=0
を証明すればよい。
仮定により
Ξ1H1−Ξ2H2=0=Ξ1H2+Ξ2H1,
であるから、
0=(Ξ1H1−Ξ2H2)H1+(Ξ1H2+Ξ2H1)H2=((Ξ1H1)H1−(Ξ2H2)H1)+((Ξ1H2)H2+(Ξ2H1)H2)=(Ξ1(H1H1)−Ξ2(H2H1))+(Ξ1(H2H2)+Ξ2(H1H2))=((Ξ1(H1H1)−Ξ2(H2H1))+Ξ2(H1H2))+Ξ1(H2H2)=Ξ1(H1H1)+Ξ1(H2H2)=Ξ1(H1H1+H2H2),
したがって
Ξ1=0,
Ξ2H2=0=Ξ2H1.
である。H1 と H2 は両方とも 0 ではないから、したがって
Ξ2=0.
である。
定理 222: xe=x.
証明: [Ξ1,Ξ2][1,0]=[Ξ1⋅1−Ξ2⋅0,Ξ1⋅0+Ξ2⋅1]=[Ξ1,Ξ2].
定理 223: x(−e)=−x.
証明:
[Ξ1,Ξ2][−1,0]=[Ξ1(−1)−Ξ2⋅0,Ξ1⋅0+Ξ2(−1)]=[−Ξ1,−Ξ2].
定理 224: (−x)y=x(−y)=−(xy).
証明: 1)
[−Ξ1,−Ξ2][H1,H2]=[(−Ξ1)H1−(−Ξ2)H2,(−Ξ1)H2+(−Ξ2)H1]=[−(Ξ1H1)+Ξ2H2,−(Ξ1H2)−Ξ2H1]=[−(Ξ1H1−Ξ2H2),−(Ξ1H2+Ξ2H1)]=−([Ξ1,Ξ2][H1,H2]),
(−x)y=−(xy).
-
- により
x(−y)=(−y)x=−(yx)=−(xy).
である。
定理 225: (−x)(−y)=xy.
証明: 定理 224 により
(−x)(−y)=x(−(−y))=xy.
である。
定理 226(乗法の結合法則):
(xy)z=x(yz).
証明: この証明では、見やすさのため例外的に略記として
(Ξ+H)+Z=Ξ+H+Z,
(ΞH)Z=ΞHZ
とおく。したがって
Ξ+(H+Z)=Ξ+H+Z,
Ξ(HZ)=ΞHZ
でもある。
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2],z=[Z1,Z2]
とおく。このとき
(xy)z=[Ξ1H1−Ξ2H2,Ξ1H2+Ξ2H1][Z1,Z2]=[(Ξ1H1−Ξ2H2)Z1−(Ξ1H2+Ξ2H1)Z2,(Ξ1H1−Ξ2H2)Z2+(Ξ1H2+Ξ2H1)Z1]=[(Ξ1H1Z1−Ξ2H2Z1)−(Ξ1H2Z2+Ξ2H1Z2),(Ξ1H1Z2−Ξ2H2Z2)+(Ξ1H2Z1+Ξ2H1Z1)]=[(Ξ1H1Z1+(−(Ξ2H2Z1)))+(−(Ξ1H2Z2+Ξ2H1Z2)),(Ξ1H2Z1+Ξ2H1Z1)+(Ξ1H1Z2+(−(Ξ2H2Z2)))]=[Ξ1H1Z1−(Ξ2H2Z1+Ξ1H2Z2+Ξ2H1Z2),(Ξ1H2Z1+Ξ2H1Z1+Ξ1H1Z2)−Ξ2H2Z2].
である。
x(yz)=(yz)x
であるから、文字の入れ替え(Ξ の代わりに H、H の代わりに Z、Z の代わりに Ξ)によって
x(yz)=[H1Z1Ξ1−(H2Z2Ξ1+H1Z2Ξ2+H2Z1Ξ2),(H1Z2Ξ1+H2Z1Ξ1+H1Z1Ξ2)−H2Z2Ξ2].
が得られる。
ΞHZ=Ξ(HZ)=(HZ)Ξ=HZΞ,
Ξ+H+Z=Ξ+(H+Z)=(H+Z)+Ξ=H+Z+Ξ
であるから、計算し終えた両式を見比べて
(xy)z=x(yz).
がわかる。
定理 227(分配法則):
x(y+z)=xy+xz.
証明:
[Ξ1,Ξ2]([H1,H2]+[Z1,Z2])=[Ξ1,Ξ2][H1+Z1,H2+Z2]=[Ξ1(H1+Z1)−Ξ2(H2+Z2),Ξ1(H2+Z2)+Ξ2(H1+Z1)]=[(Ξ1H1+Ξ1Z1)+(−(Ξ2H2)+(−(Ξ2Z2))),(Ξ1H2+Ξ1Z2)+(Ξ2H1+Ξ2Z1)]=[(Ξ1H1−Ξ2H2)+(Ξ1Z1−Ξ2Z2),(Ξ1H2+Ξ2H1)+(Ξ1Z2+Ξ2Z1)]=[Ξ1H1−Ξ2H2,Ξ1H2+Ξ2H1]+[Ξ1Z1−Ξ2Z2,Ξ1Z2+Ξ2Z1]=[Ξ1,Ξ2][H1,H2]+[Ξ1,Ξ2][Z1,Z2].
定理 228: x(y−z)=xy−xz.
証明:
x(y−z)=x(y+(−z))=xy+x(−z)=xy+(−(xz))=xy−xz.
定理 229: 方程式
yu=x,
(ここで x,y は与えられており、
y=n
である)は、ちょうど一つの解 u をもつ。
証明: 1) 解は高々一つである。なぜなら、
yu1=x=yu2
から
n=yu1−yu2=y(u1−u2),
が従い、したがって定理 221 により
n=u1−u2,
u1=u2.
となるからである。
y=[H1,H2],
とすると、
H=H1H1+H2H2>0,
であり、
u=[HH1,−HH2]x
は、
yu=([H1,H2][HH1,−HH2])x=[HH1H1+H2H2,H−(H1H2)+H2H1]x=[1,0]x=ex=x.
であるから一つの解である。
定義 64: 定理 229 の u を yx と書く(x 割る y と読む)。yx は x を y で割った商、または x を y で割る除法によって得られる数ともいう。
§ 4. 減法
定理 230:
(x−y)+y=x.
証明:
(x−y)+y=y+(x−y)=x.
定理 231:
(x+y)−y=x.
証明:
y+x=x+y.
定理 232:
x−(x−y)=y.
証明:
(x−y)+y=x.
定理 233: (x−y)−z=x−(y+z).
証明:
(y+z)+((x−y)−z)=((x−y)−z)+(z+y)=(((x−y)−z)+z)+y=(x−y)+y=x.
定理 234: (x+y)−z=x+(y−z).
証明:
(x+(y−z))+z=x+((y−z)+z)=x+y.
定理 235: (x−y)+z=x−(y−z).
証明:
((x−y)+z)+(y−z)=(x−y)+(z+(y−z))=(x−y)+y=x.
定理 236: (x+z)−(y+z)=x−y.
証明:
(x−y)+(y+z)=((x−y)+y)+z=x+z.
定理 237: (x−y)+(z−u)=(x+z)−(y+u).
証明:
((x−y)+(z−u))+(y+u)=(x−y)+((z−u)+(u+y))=(x−y)+(((z−u)+u)+y)=(x−y)+(z+y)=(x−y)+(y+z)=((x−y)+y)+z=x+z.
定理 238: (x−y)−(z−u)=(x+u)−(y+z).
証明: 定理 237 と定理 236 により
((x+u)−(y+z))+(z−u)=((x+u)+z)−((y+z)+u)=(x+(u+z))−(y+(z+u))=x−y.
定理 239:
x−y=z−u
であるのは、
x+u=y+z.
のとき、またそのときに限る。
証明: 定理 213 と定理 238。
§ 5. 除法
定理 240:
y=n,
ならば
yxy=x.
証明:
yxy=yyx=x.
定理 241:
y=n,
ならば
yxy=x.
証明:
yx=xy.
定理 242:
x=n,y=n,
ならば
yxx=y.
証明:
yxy=x.
定理 243:
y=n,z=n,
ならば
zyx=yzx.
証明:
(yz)zyx=zyx(zy)=(zyxz)y=yxy=x.
定理 244:
z=n,
ならば
zxy=xzy.
証明:
(xzy)z=x(zyz)=xy.
定理 245:
y=n,z=n,
ならば
yxz=zyx.
証明:
(yxz)zy=yx(zzy)=yxy=x.
定理 246:
y=n,z=n,
ならば
yzxz=yx.
証明:
yx(yz)=(yxy)z=xz.
定理 247:
y=n,u=n,
ならば
yx⋅uz=yuxz.
証明:
(yx⋅uz)(yu)=yx(uz(uy))=yx((uzu)y)=yx(zy)=yx(yz)=(yxy)z=xz.
定理 248:
y=n,z=n,u=n,
ならば
uzyx=yzxu.
証明: 定理 247 と定理 246 により
yzxu⋅uz=(yz)u(xu)z=y(zu)x(uz)=yx.
定理 249:
x=n,
ならば
xn=n.
証明:
xn=n.
定理 250:
x=n,
ならば
xx=e.
証明:
xe=x.
定理 251:
y=n,
ならば、
yx=e
であるのは、
x=y.
のとき、またそのときに限る。
証明: 1)
x=y,
ならば、定理 250 により
yx=yy=e.
yx=e,
ならば、定理 222 により
x=ye=y.
定理 252:
y=n,u=n,
ならば、
yx=uz
であるのは、
xu=yz.
のとき、またそのときに限る。
証明:
z=n
の場合には主張は明らかである。
そうでない場合には、定理 248 により
uzyx=yzxu,
であるから、定理 251 が主張を与える。
定理 253:
y=n,
ならば
yx+yz=yx+z.
証明:
y(yx+yz)=y⋅yx+y⋅yz=x+z.
定理 254:
y=n,u=n,
ならば
yx+uz=yuxu+yz.
証明: 定理 246 と定理 253 により
yx+uz=yuxu+yuyz=yuxu+yz.
定理 255:
y=n,
ならば
yx−yz=yx−z.
証明:
y(yx−yz)=y⋅yx−y⋅yz=x−z.
定理 256:
y=n,u=n,
ならば
yx−uz=yuxu−yz.
証明: 定理 246 と定理 255 により
yx−uz=yuxu−yuyz=yuxu−yz.
§ 6. 共役数
定義 65:
x=[Ξ1,Ξ2]
に対して
x=[Ξ1,−Ξ2]
を共役複素数という。
定理 257: x=x.
証明: [Ξ1,−(−Ξ2)]=[Ξ1,Ξ2].
定理 258:
x=n
となるのは、
x=n.
のとき、またそのときに限る。
証明:
Ξ1=0,−Ξ2=0
は
Ξ1=0,Ξ2=0.
と同じことである。
定理 259:
x=x
となるのは、x が
x=[Ξ,0]
の形を持つとき、またそのときに限る。
証明:
Ξ1=Ξ1,−Ξ2=Ξ2
となるのは、
Ξ2=0.
のとき、またそのときに限る。
定理 260: x+y=x+y.
証明:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2]
に対して
x+y=[Ξ1+H1,−(Ξ2+H2)]=[Ξ1+H1,−Ξ2+(−H2)]=[Ξ1,−Ξ2]+[H1,−H2]=x+y.
である。
定理 261: xy=xy.
証明:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2]
に対して
xy=[Ξ1H1−Ξ2H2,−(Ξ1H2+Ξ2H1)]=[Ξ1H1−(−Ξ2)(−H2),Ξ1(−H2)+(−Ξ2)H1]=[Ξ1,−Ξ2][H1,−H2]=xy.
である。
定理 262: x−y=x−y.
証明:
x=(x−y)+y
により、定理 260 から
x=x−y+y,
x−y=x−y.
である。
定理 263:
y=n
に対して
(yx)=yx.
である。
証明:
x=yxy
により、定理 261 から
x=(yx)y;
であり、定理 258 から
y=n,
であるから、
(yx)=yx.
§ 7. 絶対値
定義 66: ζ は、定理 161 により一意に存在する
ξξ=ζ.
の(正の)解 ξ を表すものとする。
定義 67: 0=0.
定義 68:
∣[Ξ1,Ξ2]∣=Ξ1Ξ1+Ξ2Ξ2.
(∣ ∣ は「絶対値」と読む。)
定理 264:
∣x∣{>0=0(x=n のとき),(x=n のとき).
証明: 定義 68、66 および 67。
定理 265:
∣[Ξ1,Ξ2]∣≧∣Ξ1∣,
∣[Ξ1,Ξ2]∣≧∣Ξ2∣.
証明:
∣[Ξ1,Ξ2]∣∣[Ξ1,Ξ2]∣=Ξ1Ξ1+Ξ2Ξ2{≧Ξ1Ξ1=∣Ξ1∣∣Ξ1∣,≧Ξ2Ξ2=∣Ξ2∣∣Ξ2∣.
ΞΞ≧HH,Ξ≧0,H≧0
から
Ξ≧H,
が従う。なぜなら、さもなければ
0≦Ξ<H,
ΞΞ<HH
となるからである。これで定理 265 は証明された。
定理 266:
[Ξ,0][Ξ,0]=[H,0][H,0],Ξ≧0,H≧0
から
Ξ=H.
が従う。
証明:
[Z,0][Z,0]=[ZZ−0⋅0,Z⋅0+0⋅Z]=[ZZ,0]
により、仮定から
[ΞΞ,0]=[HH,0],
ΞΞ=HH.
である。
Ξ>0,
ならば
HH=ΞΞ>0,
が従い、よって定理 161 から
H>0,
Ξ=H.
である。
Ξ=0,
ならば
HH=ΞΞ=0,
H=0=Ξ.
が従う。
定理 267: [∣x∣,0][∣x∣,0]=xx.
証明:
x=[Ξ1,Ξ2]
とおけば、
[∣x∣,0][∣x∣,0]=[∣x∣∣x∣,0]=[Ξ1Ξ1+Ξ2Ξ2,0]=[Ξ1Ξ1−Ξ2(−Ξ2),Ξ1(−Ξ2)+Ξ2Ξ1]=[Ξ1,Ξ2][Ξ1,−Ξ2]=xx.
である。
定理 268: ∣xy∣=∣x∣∣y∣.
証明: 定理 267 および定理 261 から
[∣xy∣,0][∣xy∣,0]=(xy)xy=(xy)(xy)=(xx)(yy)=([∣x∣,0][∣x∣,0])([∣y∣,0][∣y∣,0])=([∣x∣,0][∣y∣,0])([∣x∣,0][∣y∣,0])=[∣x∣∣y∣−0⋅0,∣x∣⋅0+0⋅∣y∣][∣x∣∣y∣−0⋅0,∣x∣⋅0+0⋅∣y∣]=[∣x∣∣y∣,0][∣x∣∣y∣,0],
であり、よって定理 266 から
∣xy∣=∣x∣∣y∣.
定理 269:
y=n,
ならば
yx=∣y∣∣x∣.
である。
証明:
∣y∣>0,
yxy=x,
であるから、定理 268 により
yx∣y∣=∣x∣,
yx=∣y∣∣x∣.
定理 270:
x+y=e
から
∣x∣+∣y∣≧1.
が従う。
証明:
x=[Ξ1,Ξ2],y=[H1,H2],
とすれば、定理 265 から
∣x∣≧∣Ξ1∣≧Ξ1,
∣y∣≧∣H1∣≧H1,
であり、よって
∣x∣+∣y∣≧Ξ1+H1=1.
定理 271: ∣x+y∣≦∣x∣+∣y∣.
証明: 1)
x+y=n,
ならば、主張の左辺は 0 であり、したがって右辺 ≦ が成り立つ。
x+y=n,
ならば、
x+yx+x+yy=x+yx+y=e,
により、定理 270 から
x+yx+x+yy≧1,
であり、よって定理 269 から
∣x+y∣∣x∣+∣x+y∣∣y∣≧1,
∣x∣+∣y∣=∣x+y∣(∣x+y∣∣x∣+∣x+y∣∣y∣)≧∣x+y∣.
である。
定理 272: ∣−x∣=∣x∣.
証明: (−Ξ1)(−Ξ1)+(−Ξ2)(−Ξ2)=Ξ1Ξ1+Ξ2Ξ2.
定理 273: ∣x−y∣≧∣∣x∣−∣y∣∣.
証明:
x=y+(x−y),
であるから、定理 271 により
∣x∣≦∣y∣+∣x−y∣,
∣x−y∣≧∣x∣−∣y∣.
である。ここで x と y を入れ替えれば、
∣y−x∣≧∣y∣−∣x∣,
が従い、よって定理 272 から
∣x−y∣=∣−(y−x)∣=∣y−x∣≧∣y∣−∣x∣=−(∣x∣−∣y∣).
である。ところで、∣H∣ は H か −H のいずれかであるから、
Ξ≧H,Ξ≧−H
から
Ξ≧∣H∣.
が従う。したがって
∣x−y∣≧∣∣x∣−∣y∣∣.
である。
§ 8. 和と積
定理 274:
x<y,
ならば、m≦x を n≦y に一対一に対応させることはできない。
この § において、対応させるとは常に一対一に対応させることを意味する。
証明: M を、すべての y>x に対して主張が真であるような x の集合とする。
I)
1<y,
ならば、m=1 を n≦y に対応させることはできない。なぜなら、m=1 に n=1 が対応するならば、n=y に対する m が残らないし、m=1 がある n>1 に対応させられているならば、n=1 に対する m が残らないからである。
したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属し、
x+1<y.
であるとする。m≦x+1 の n≦y への対応が存在するとき、二つの場合を区別する。
α) m=x+1 に n=y が対応する場合。このとき m≦x は n≦y−1 に対応させられていることになるが、これは
x<y−1.
のためにあり得ない。
β) m=x+1 にある n=n0<y が対応する場合。このとき、n=y に対応する数を m=m0 とすると、m0<x+1 である。いま、m≦x+1 の n≦y への、次のように変更した対応を考える。
⎩⎨⎧m=m0, m=x+1 のときは従来どおりとする。m=m0 には n=n0 を対応させる。m=x+1 には n=y を対応させる。
このとき、先ほど α) で不可能であることが示された種類の対応が得られる。
したがって x+1 は M に属し、主張は証明された。
以下の定理 275 から 278 まで、および 280 から 286 までの証明は、付随する定義とともに、和についても積についても文字どおり同一のものとなるので、長い繰り返しを避けるため、これを一度だけ行い、中立的な記号 ∔ を選ぶ。これは一貫して + を意味するか、または一貫して ⋅ を意味するものとする。さしあたり中立的な記号 ∔ は、後に対応して二つの記号(+ のときは Σ、⋅ のときは Π)に分けられる。
この展開全体を通じて、定義されているとは、複素数として定義されていることを意味する。
定理 275: x を固定し、f(n) が n≦x に対して定義されているとする。このとき、n≦x に対して定義された
gx(n)
(より詳しく書けば
gx,f(n),
略記すれば
g(n))
で、次の性質をもつものがちょうど一つ存在する:
gx(1)gx(n+1)=f(1),=gx(n)∔f(n+1)(n<x のとき).
証明: 1) まず、このような gx(n) が高々一つしか存在しないことを示す。
g(n) と h(n) が要求された性質をもつとする。M を、
g(n)=h(n)
を満たす n≦x と、n>x とからなる集合とする。
I) g(1)=f(1)=h(1);
したがって 1 は M に属する。
II) n が M に属するとする。このとき、
n<x,g(n)=h(n),
であって、したがって
g(n+1)=g(n)∔f(n+1)=h(n)∔f(n+1)=h(n+1),
となり、n+1 が M に属するか、あるいは
n≧x,
であって、したがって
n+1>x
となり、n+1 がやはり M に属するかのいずれかである。
ゆえに M はすべての正の整数の集合である。したがって、任意の n≦x に対して
g(n)=h(n),
である。これが証明すべきことであった。
- 次に、f(n) が n≦x に対して定義されているとき、各 x に対して適合する gx(n) が存在することを示す。
M を、これが真であるような x の集合、すなわち、f(n) が n≦x に対して定義されているとき、1) によりちょうど一つの適合する gx(n) が存在するような x の集合とする。
I) x=1 に対しては、f(1) が定義されているとき、
gx(1)=f(1)
が求めるものとなる(n<1 が不可能であるため、第二の要求は課されないからである)。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、それは n≦x に対して定義されているから、ここにちょうど一つの付随する gx(n) が存在する。いま、
gx+1(n)={gx(n)gx(x)∔f(x+1)(n≦x のとき),(n=x+1 のとき)
が x+1 において求めるものとなる。なぜなら、第一に
gx+1(1)=gx(1)=f(1).
である。第二に、
n<x
に対しては(n+1≦x のため)
gx+1(n+1)=gx(n+1)=gx(n)∔f(n+1)=gx+1(n)∔f(n+1),
が成り立ち、一方
n=x
に対しては
gx+1(n+1)=gx(x)∔f(x+1)=gx+1(n)∔f(n+1)
である。したがって
n<x+1
からは、いずれにせよ
gx+1(n+1)=gx+1(n)∔f(n+1).
が従う。
ゆえに x+1 は M に属し、M はすべての正の整数を含む。
定理 276: f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、付随する gx(n) と gx+1(n) に対して
gx+1(x+1)=gx(x)∔f(x+1).
が成り立つ。
証明: これは前の証明の 2)、II) における構成のなかに現れた。
定義 69: f(n) が n≦x に対して定義されているならば、
n=1∔xf(n)=gx(x)(=gx,f(x)).
とする。
∔ が + の意味をもつときは
n=1∑xf(n);
と書き、∔ が ⋅ の意味をもつときは
n=1∏xf(n).
と書く。
(Σ は「和」と読み、Π は「積」と読む。)
これらの記号においては、n の代わりに、正の整数を表す他の任意の文字を用いてもよい。
定理 277: f(1) が定義されているならば、
n=1∔1f(n)=f(1).
である。
証明: g1(1)=f(1)。
定理 278: f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、
n=1∔x+1f(n)=n=1∔xf(n)∔f(x+1).
である。
証明: 定理 276。
定理 279:
n=1∑xx=x[x,0].
証明: x を固定し、M をこれが成り立つ x の集合とする。
I) 定理 277 により
n=1∑1x=x=xe=x[1,0].
である。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するならば、定理 278 から
n=1∑x+1x=n=1∑xx+x=x[x,0]+x[1,0]=x([x,0]+[1,0])=x[x+1,0].
が従う。
したがって x+1 は M に属する。
ゆえに主張はすべての x に対して成り立つ。
定理 280: f(1) と f(1+1) が定義されているならば、
n=1∔1+1f(n)=f(1)∔f(1+1).
である。
証明: 定理 278 と定理 277 により
n=1∔1+1f(n)=n=1∔1f(n)∔f(1+1)=f(1)∔f(1+1).
である。
定理 281: f(n) が n≦x+y に対して定義されているならば、
n=1∔x+yf(n)=n=1∔xf(n)∔n=1∔yf(x+n).
である。
証明: x を固定し、M をこれが成り立つ y の集合とする。
I) f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、定理 278 と定理 277 により
n=1∔x+1f(n)=n=1∔xf(n)∔f(x+1)=n=1∔xf(n)∔n=1∔1f(x+n).
である。したがって 1 は M に属する。
II) y が M に属するとする。f(n) が n≦x+(y+1) に対して定義されているならば、定理 278(x の代わりに x+y に適用して)により
n=1∔x+(y+1)f(n)=n=1∔(x+y)+1f(n)=n=1∔x+yf(n)∔f((x+y)+1)=(n=1∔xf(n)∔n=1∔yf(x+n))∔f(x+(y+1))=n=1∔xf(n)∔(n=1∔yf(x+n)∔f(x+(y+1))),
であり、したがって定理 278(x の代わりに y、f(n) の代わりに f(x+n) に適用して)により
=n=1∔xf(n)∔n=1∔y+1f(x+n).
である。
したがって y+1 は M に属し、定理は証明された。
定理 282: f(n) と g(n) が n≦x に対して定義されているならば、
n=1∔x(f(n)∔g(n))=n=1∔xf(n)∔n=1∔xg(n).
である。
証明: M をこれが成り立つ x の集合とする。
I) f(1) と g(1) が定義されているならば、
n=1∔1(f(n)∔g(n))=f(1)∔g(1)=n=1∔1f(n)∔n=1∔1g(n).
である。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。f(n) と g(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、
(x∔y)∔(z∔u)=((x∔y)∔z)∔u=(z∔(x∔y))∔u=((z∔x)∔y)∔u=(z∔x)∔(y∔u)=(x∔z)∔(y∔u),
を考慮して、
n=1∔x+1(f(n)∔g(n))=n=1∔x(f(n)∔g(n))∔(f(x+1)∔g(x+1))=(n=1∔xf(n)∔n=1∔xg(n))∔(f(x+1)∔g(x+1))=(n=1∔xf(n)∔f(x+1))∔(n=1∔xg(n)∔g(x+1))=n=1∔x+1f(n)∔n=1∔x+1g(n).
である。
したがって x+1 は M に属し、主張は常に成り立つ。
定理 283: s(n) は n≦x を m≦x に対応させるものとする。f(n) は n≦x に対して定義されているとする。このとき
n=1∔xf(s(n))=n=1∔xf(n).
である。
証明: 略記のため
f(s(n))=g(n)
とおく。
M を、主張
n=1∔xg(n)=n=1∔xf(n)
が(すべての許される s と f に対して)真であるような x の集合とする。
I)
x=1
に対しては
s(1)=1,
であるから、f(1) が定義されているとき、
n=1∔xg(n)=g(1)=f(1)=n=1∔xf(n).
である。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。s(n) は n≦x+1 を m≦x+1 に対応させ、f(n) は n≦x+1 に対して定義されているとする。
s(x+1)=x+1,
の場合、s(n) は n≦x を m≦x に対応させる。このとき
n=1∔xg(n)=n=1∔xf(n),
g(x+1)=f(x+1),
であるから、
n=1∔x+1g(n)=n=1∔xg(n)∔g(x+1)=n=1∔xf(n)∔f(x+1)=n=1∔x+1f(n).
である。
s(x+1)<x+1,s(1)=1,
の場合、s(n) は 1+1≦n≦x+1 なる n を 1+1≦m≦x+1 なる m に対応させる。したがって s(1+n)−1 は n≦x を m≦x に対応させる。ゆえに
n=1∔xg(1+n)=n=1∔xf(s(1+n))=n=1∔xf(1+(s(1+n)−1))=n=1∔xf(1+n),
であり、したがって定理 281 により
n=1∔x+1g(n)=g(1)∔n=1∔xg(1+n)=f(1)∔n=1∔xf(1+n)=n=1∔x+1f(n).
である。
s(x+1)<x+1,s(1)>1,
の場合、
s(1)=a
とおき、b を
1≦b≦x+1,s(b)=1
から定める。このとき
a>1,b>1.
である。
α)
a<x+1.
とする。このとき、
s1(n)=⎩⎨⎧1as(n)(n=1 のとき),(n=b のとき),(1<n≦x+1, n=b のとき)
も
s2(n)=⎩⎨⎧a1n(n=1 のとき),(n=a のとき),(1<n≦x+1, n=a のとき)
も、いずれも n≦x+1 を m≦x+1 に対応させる。
さて、
s(n)=s2(s1(n))(n≦x+1 のとき).
である。なぜなら、s2(s1(n)) によって
1 は 1 を経て a=s(1) に移り,b は a を経て 1=s(b) に移り,他のすべての n≦x+1 は s(n) を経て s(n) に移る.
と移るからである。
s1(n) は 1 を、s2(n) は x+1 を不変にとどめる。したがって 2) と 1) により
n=1∑x+1g(n)=n=1∑x+1f(s(n))=n=1∑x+1f(s2(s1(n)))=n=1∑x+1f(s1(n))=n=1∑x+1f(n).
である。
β)
a=x+1,b<x+1.
とする。このとき
s3(n)=⎩⎨⎧b1n(n=1 のとき),(n=b のとき),(1<n≦x+1, n=b のとき)
は n≦x+1 を m≦x+1 に対応させる。さらに
s(n)=s1(s3(n))(n≦x+1 のとき).
である。なぜなら、s1(s3(n)) によって
1 は b を経て a=s(1) に移り,b は 1 を経て 1=s(b) に移り,他のすべての n≦x+1 は n を経て s(n) に移る.
と移るからである。
s3(n) は x+1 を不変にとどめる。したがって 1) と 2) により
n=1∑x+1g(n)=n=1∑x+1f(s(n))=n=1∑x+1f(s1(s3(n)))=n=1∑x+1f(s3(n))=n=1∑x+1f(n).
である。
γ)
a=b=x+1.
とする。x=1 ならば
n=1∑x+1g(n)=n=1∑x+1f(n)
は自明である。
x>1 ならば、
s4(n)=⎩⎨⎧1x+1s(n)(n=1 のとき),(n=x+1 のとき),(1<n<x+1 のとき)
は n≦x+1 を m≦x+1 に対応させる。それゆえ 1) により
n=1∑x+1g(n)=n=1∑xg(n)∔g(x+1)=(g(1)∔n=1∑x−1g(n+1))∔g(x+1)=g(1)∔(n=1∑x−1g(n+1)∔g(x+1))=(g(x+1)∔n=1∑x−1g(n+1))∔g(1)=(f(s(x+1))∔n=1∑x−1f(s(n+1)))∔f(s(1))=(f(1)∔n=1∑x−1f(s4(n+1)))∔f(x+1)=(f(s4(1))∔n=1∑x−1f(s4(n+1)))∔f(s4(x+1))=n=1∑xf(s4(n))∔f(s4(x+1))=n=1∑x+1f(s4(n))=n=1∑x+1f(n).
である。
したがって x+1 は M に属し、定理は証明された。
定義 70 および定理 284 から定理 286 までにおいては、例外として、ラテン文字は(必ずしも正とは限らない)整数を表す。
定義 70:
y≦x,
とし、f(n) が
y≦n≦x
に対して定義されているとする。このとき
n=y∑xf(n)=n=1∑(x+1)−yf((n+y)−1).
とする。
n の代わりに、整数を表す他の任意の文字を用いてもよい。
次のことに注意せよ:
x+1>y;y≦(n+y)−1≦x(1≦n≦(x+1)−y のとき);
さらに、y=1 に対して定義 70 が(そうあるべきように)定義 69 と一致していることにも注意せよ。
定理 284:
y≦u<x;
とし、f(n) は
y≦n≦x
に対して定義されているとする。このとき
n=y∑xf(n)=n=y∑uf(n)∔n=u+1∑xf(n).
である。
証明: 定義 70 と定理 281 により
n=y∑xf(n)=n=1∑(x+1)−yf((n+y)−1)=n=1∑(u+1)−yf((n+y)−1)∔n=1∑x−uf(((((u+1)−y)+n)+y)−1);
である。なぜなら
((u+1)−y)+(x−u)=(x+(−u))+((u+1)+(−y))=(x+((−u)+(u+1)))+(−y)=(x+1)−y.
だからである。
さて
(((u+1)−y)+n)+y=((u+1)−y)+(y+n)=(((u+1)−y)+y)+n=n+(u+1),
であるから、定義 70 により
n=y∑xf(n)=n=y∑uf(n)∔n=1∑(x+1)−(u+1)f((n+(u+1))−1)=n=y∑uf(n)∔n=u+1∑xf(n).
である。
定理 285:
y≦x,
とし、f(n) が
y≦n≦x
に対して定義されているとする。このとき
n=y∑xf(n)=n=y+v∑x+vf(n−v).
である。
証明: 定義 70 により、主張の左辺は
=n=1∑(x+1)−yf((n+y)−1),
であり、右辺は(y+v≦n≦x+v に対して y≦n−v≦x であることに注意せよ)
=n=1∑((x+v)+1)−(y+v)f(((n+(y+v))−1)−v);
である。ここで
((x+v)+1)−(y+v)=(1+(x+v))+((−v)+(−y))=(1+((x+v)+(−v)))+(−y)=(1+x)−y=(x+1)−y
かつ
((n+(y+v))−1)−v=(n+(y+v))−(1+v)=((n+y)+v)+(−v+(−1))=(((n+y)+v)+(−v))+(−1)=((n+y)+(v+(−v)))−1=(n+y)−1.
である。
定理 286:
y≦x,
とし、f(n) が
y≦n≦x
に対して定義されているとする。s(n) は y≦n≦x なる n を y≦m≦x なる m に対応させるものとする。このとき
n=y∑xf(s(n))=n=y∑xf(n).
である。
証明:
s1(n)=s((n+y)−1)−(y−1)
は、正の n≦(x+1)−y を正の m≦(x+1)−y に対応させる。ゆえに定理 283 により
n=y∑xf(s(n))=n=1∑(x+1)−yf(s((n+y)−1))=n=1∑(x+1)−yf(s1(n)+(y−1))=n=1∑(x+1)−yf(n+(y−1))=n=1∑(x+1)−yf((n+y)−1)=n=y∑xf(n).
である。
なお、
n=y∑xf(n)
の代わりに、くだけた書き方
f(y)+f(y+1)+⋯+f(x)
もよく用いられる(積についても同様である)。しかし、例えば
f(1)+f(1+1)+f((1+1)+1)+f(((1+1)+1)+1),
言い換えれば
a+b+c+d
(これは定義により古い加法に帰着し、
((a+b)+c)+d
を意味する)は完全に正当であり、また例えば
abcdfghiklmopqrstuvwxyz.
もそうである。
また、例えば
a−b+c
を
a+(−b)+c
の意味で書いてもさしつかえない。なぜなら、いずれにせよ
f(1)+f(1+1)+f((1+1)+1)
において
f(1)=a,f(1+1)=−b,f((1+1)+1)=c
としたものが意味されているからである。
これ以後、小文字のラテン文字は再び正の整数を表す。
定理 287: f(n) が n≦x に対して定義されているならば、
n=1∑xf(n)≦Ξ,
n=1∑x[∣f(n)∣,0]=[Ξ,0].
となる Ξ が存在する。
証明: M を、(任意の f(n) に対して)このような Ξ が存在する x の集合とする。
I) f(1) が定義されているならば、
n=1∑1f(n)=∣f(1)∣,
n=1∑1[∣f(n)∣,0]=[∣f(1)∣,0];
であるから、
Ξ=∣f(1)∣
が x=1 において求めるものとなる。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、
n=1∑xf(n)≦Ξ1,
n=1∑x[∣f(n)∣,0]=[Ξ1,0].
となる Ξ1 が存在する。
定理 278 と定理 271 により
n=1∑x+1f(n)=n=1∑xf(n)+f(x+1)≦n=1∑xf(n)+∣f(x+1)∣≦Ξ1+∣f(x+1)∣,
であるから、
Ξ=Ξ1+∣f(x+1)∣
とおけば、
n=1∑x+1f(n)≦Ξ.
である。
他方、定理 278 により
n=1∑x+1[∣f(n)∣,0]=n=1∑x[∣f(n)∣,0]+[∣f(x+1)∣,0]=[Ξ1,0]+[∣f(x+1)∣,0]=[Ξ1+∣f(x+1)∣,0+0]=[Ξ,0].
である。
したがって Ξ は x+1 において求めるものとなる。ゆえに x+1 は M に属し、定理は証明された。
定理 288: f(n) が n≦x に対して定義されているならば、
[n=1∏xf(n),0]=n=1∏x[∣f(n)∣,0].
である。
証明: M をこれが成り立つ x の集合とする。
I) f(1) が定義されているならば、
[n=1∏1f(n),0]=[∣f(1)∣,0]=n=1∏1[∣f(n)∣,0].
である。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。f(n) が n≦x+1 に対して定義されているならば、定理 278 と定理 268 により
n=1∏x+1[∣f(n)∣,0]=n=1∏x[∣f(n)∣,0]⋅[∣f(x+1)∣,0]=[n=1∏xf(n),0]⋅[∣f(x+1)∣,0]=[n=1∏xf(n)⋅∣f(x+1)∣−0⋅0, n=1∏xf(n)⋅0+0⋅∣f(x+1)∣]=[n=1∏xf(n)⋅∣f(x+1)∣,0]=[n=1∏xf(n)⋅f(x+1),0]=[n=1∏x+1f(n),0],
である。したがって x+1 は M に属し、定理は証明された。
定理 289: f(n) が n≦x に対して定義されているならば、
n=1∏xf(n)=n
となるのは、
f(n)=n
となる n≦x が存在するとき、またそのときに限る。
証明: M をこれが成り立つ x の集合とする。
I)
n=1∏1f(n)=n
は
f(1)=n
と同一である。したがって 1 は M に属する。
II) x が M に属するとする。
n=1∏x+1f(n)=n
は
n=1∏xf(n)⋅f(x+1)=n;
を意味する。定理 221 により、このためには
n=1∏xf(n)=nまたはf(x+1)=n,
が必要かつ十分であり、したがって(x が M に属するから)
f(n)=n(ある n≦x または n=x+1 のとき).
が必要かつ十分である。
ゆえに x+1 は M に属し、定理は証明された。
§ 9. 冪
この § では、小さいラテン文字は整数を表すものとする。
定義 71:
xx=⎩⎨⎧n=1∏xxex∣x∣e(x>0 のとき),(x=n, x=0 のとき),(x=n, x<0 のとき).
(読み方:x の x 乗。)したがって xx が定義されないのは、
x=n,x≦0
の場合だけである。
x=n,x<0
に対しては、定義 71 の第一行と定理 289 により
x∣x∣=n
であり、したがってそのとき x∣x∣e が意味をもつことに注意せよ。
定理 290:
x=n
に対して
xx=n
である。
証明: x>0 に対してはこれは定理 289 から従い、x=0 に対しては定義から、x<0 に対しては
xxx∣x∣=n
から従う。
定理 291: x1=x.
証明:
x1=n=1∏1x=x.
定理 292:
x>0
または
x=n,y=n
とする。このとき
(xy)x=xxyx
である。
前注: いずれにせよ両辺は意味をもつ。なぜなら x≦0 のときは
xy=n
だからである。
証明: 1) x、y を固定し、
(xy)x=xxyx
をみたす x>0 の集合を M とする。
I) 定理 291 により
(xy)1=xy=x1y1
であるから、1 は M に属する。
II) x が M に属するならば、
(xy)x+1=n=1∏x+1(xy)=n=1∏x(xy)⋅(xy)=(xxyx)(xy)=(xxx)(yxy)=(n=1∏xx⋅x)(n=1∏xy⋅y)=n=1∏x+1x⋅n=1∏x+1y=xx+1yx+1
であり、したがって x+1 は M に属する。
したがって x>0 に対してつねに
(xy)x=xxyx
である。
x=0,x=n,y=n
とする。このとき
(xy)x=e=ee=xxyx
である。
x<0,x=n,y=n
とする。1) により
(xy)∣x∣=x∣x∣y∣x∣,
(xy)∣x∣e=x∣x∣y∣x∣e=x∣x∣e⋅y∣x∣e,
(xy)x=xxyx.
定理 293: ex=e.
証明: 定理 292 により
exe=ex=(ee)x=exex,
n=exex−exe=ex(ex−e),
したがって(定理 290 と定理 221 により)
ex−e=n,
ex=e.
定理 294:
x>0,y>0
または
x=n
とする。このとき
xxxy=xx+y
である。
証明: 1)
x>0,y>0
とする。このとき定理 281 により
xxxy=n=1∏xx⋅n=1∏yx=n=1∏x+yx=xx+y.
x=n
とし、かつ
x>0,y>0
が同時には成り立たないとする。
α)
x<0,y<0
とする。このとき 1) により
x∣x∣x∣y∣=x∣x∣+∣y∣=x∣x+y∣,
xxxy=x∣x∣e⋅x∣y∣e=x∣x∣x∣y∣e=x∣x+y∣e=xx+y.
β)
x>0,y<0
とする。このとき
xxxy=xxx∣y∣e=x∣y∣xx.
A)
x>∣y∣
に対しては、1) により
x∣y∣xx=x∣y∣x∣y∣xx−∣y∣=xx−∣y∣=xx+y.
B)
x=∣y∣
に対しては、
x∣y∣xx=e=x0=xx+y.
C)
x<∣y∣
に対しては、1) により
x∣y∣xx=xxxxx∣y∣−xe=x∣y∣−xe=xx−∣y∣=xx+y.
γ)
x<0,y>0
とする。このとき β) により
xxxy=xyxx=xy+x=xx+y.
δ)
x=0
とする。このとき
xxxy=exy=xy=x0+y=xx+y.
ε)
x=0,y=0
とする。このとき δ) により
xxxy=xyxx=xy+x=xx+y.
定理 295:
x=n
に対して
xyxx=xx−y
である。
証明: 定理 294 により
xx−yxy=x(x−y)+y=xx;
定理 290 により
xy=n
であるから、
xyxx=xx−y.
定理 296:
x=n
に対して
xxe=x−x
である。
証明: 定理 295 により
xxe=xxx0=x0−x=x−x.
定理 297:
x>0,y>0
または
x=n
とする。このとき
(xx)y=xxy
である。
証明: 1)
x=n,x>0,y>0
とする。このとき定理 289 により
(xx)y=(nx)y=ny=n=nxy=xxy.
x=n
とする。
a) x、x を固定し、
(xx)y=xxy
をみたす y>0 の集合を M とする。
I) (xx)1=xx=xx⋅1;
したがって 1 は M に属する。
II) y が M に属するとする。このとき定理 294 により
(xx)y+1=(xx)y(xx)1=xxyxx=xxy+x=xx(y+1)
であり、したがって y+1 は M に属する。
したがって y>0 に対して主張は正しい。
b)
y=0
とする。このとき
(xx)y=e=xxy.
c)
y<0
とする。このとき a) により
(xx)∣y∣=xx∣y∣,
したがって定理 296 と a) により
(xx)y=(xx)−ye=(xx)∣y∣e=xx∣y∣e=x−(x∣y∣)=xxy.
§ 10. 実数の埋め込み
定理 298:
[Ξ+H,0][Ξ−H,0][ΞH,0][HΞ,0][−Ξ,0]∣[Ξ,0]∣=[Ξ,0]+[H,0];=[Ξ,0]−[H,0];=[Ξ,0][H,0];=[H,0][Ξ,0],(H=0 のとき);=−[Ξ,0];=∣Ξ∣.
証明: 1)
[Ξ,0]+[H,0]=[Ξ+H,0+0]=[Ξ+H,0].
[Ξ,0]−[H,0]=[Ξ−H,0−0]=[Ξ−H,0].
[Ξ,0][H,0]=[ΞH−0⋅0,Ξ⋅0+0⋅H]=[ΞH,0].
-
- により、H=0 ならば
[H,0][HΞ,0]=[H⋅HΞ,0]=[Ξ,0],
[H,0][Ξ,0]=[HΞ,0].
−[Ξ,0]=[−Ξ,−0]=[−Ξ,0].
∣Ξ∣=∣Ξ∣∣Ξ∣=ΞΞ=ΞΞ+0⋅0=∣[Ξ,0]∣.
定理 299: [x,0] の形の複素数は、1 の代わりに [1,0] をとり、
[x,0]′=[x′,0]
と置くならば、自然数の五つの公理をみたす。
証明: [x,0] の集合を [Z] とする。
-
[1,0] は [Z] に属する。
-
[x,0] とともに [x,0]′ も [Z] に存在する。
-
つねに
x′=1
であるから、
[x′,0]=[1,0],
[x,0]′=[1,0].
[x,0]′=[y,0]′
から
[x′,0]=[y′,0],
x′=y′,
x=y,
[x,0]=[y,0]
が従う。
- [Z] の数からなる集合 [M] が次の性質をもつとする:
I) [1,0] は [M] に属する。
II) [x,0] が [M] に属するならば、[x,0]′ は [M] に属する。
そこで、[x,0] が [M] に属するような x の集合を M で表す。すると 1 は M に属し、M の各 x とともに x′ も M に属する。したがってすべての正の整数 x は M に属し、したがってすべての [x,0] は [M] に属する。
二つの [Ξ,0] の和・差・積および(存在する場合には)商は、定理 298 により旧来の概念に対応し、記号 −[Ξ,0] と ∣[Ξ,0]∣ も同様であり、また
[Ξ,0]>[H,0](Ξ>H のとき),
[Ξ,0]<[H,0](Ξ<H のとき)
と定義することができるから、複素数 [Ξ,0] は、我々が第4章で実数について証明したすべての性質をもち、特に数 [x,0] は、正の整数について証明されたすべての性質をもつ。
それゆえ我々は実数を捨て去り、それを対応する複素数 [Ξ,0] で置き換え、以後は複素数についてのみ語ればよい。(ただし実数は、複素数の概念の中に対として残っている。)
定義 72: (自由になった記号)Ξ は複素数 [Ξ,0] を表し、実数という言葉もこれに移る。同様に以後、[Ξ,0] を、Ξ が整数のとき整数、Ξ が有理数のとき有理数、Ξ が無理数のとき無理数、Ξ が正のとき正の数、Ξ が負のとき負の数と呼ぶ。
したがって例えば、n の代わりに 0、e の代わりに 1 と書く。
今や我々は複素数を、任意のアルファベットの小文字あるいは大文字で(混用してもよい)表すことができる。ただし次の特別な数については、小さいラテン文字を用いるのが慣例である。それは次の定義に基づく。
定義 73: i=[0,1].
定理 300: i⋅i=−1.
証明:
i⋅i=[0,1][0,1]=[0⋅0−1⋅1,0⋅1+1⋅0]=[−1,0]=−1.
定理 301: 実数 u1、u2 に対して
u1+u2i=[u1,u2]
である。したがって各複素数 x に対して、
x=u1+u2i
をみたす実数の対 u1、u2 がちょうど一つ存在する。
証明: 実数 u1、u2 に対して
u1+u2i=[u1,0]+[u2,0][0,1]=[u1,0]+[u2⋅0−0⋅1,u2⋅1+0⋅0]=[u1,0]+[0,u2]=[u1,u2].
定理 301 によって記号 [ ] は不要になった。複素数とはまさに、u1 と u2 が実数であるような数 u1+u2i のことである。等しい対 u1、u2 には等しい数が、異なる対には異なる数が対応し、二つの複素数 u1+u2i、v1+v2i(u1、u2、v1、v2 は実数)の和・差・積は次の公式によって作る。
(u1+u2i)+(v1+v2i)(u1+u2i)−(v1+v2i)(u1+u2i)(v1+v2i)=(u1+v1)+(u2+v2)i,=(u1−v1)+(u2−v2)i,=(u1v1−u2v2)+(u1v2+u2v1)i.
これらの公式を覚える必要すらなく、実数の諸法則が保たれることと定理 300 が成り立つことだけを覚えておけばよい。それに従えば、単に次のように計算すればよい。
(u1+u2i)+(v1+v2i)=(u1+v1)+(u2i+v2i)=(u1+v1)+(u2+v2)i,
(u1+u2i)−(v1+v2i)=(u1−v1)+(u2i−v2i)=(u1−v1)+(u2−v2)i,
(u1+u2i)(v1+v2i)=(u1+u2i)v1+(u1+u2i)v2i=u1v1+u2iv1+u1v2i+u2iv2i=u1v1+u2v1i+u1v2i+u2v2ii=u1v1+u2v1i+u1v2i+u2v2(−1)=(u1v1−u2v2)+(u1v2+u2v1)i.
除法については、v1 と v2 がともに 0 ではないとき、計算によって、定理 301 の意味での標準的な表示として
v1+v2iu1+u2i=(v1+v2i)(v1−v2i)(u1+u2i)(v1−v2i)=(v1v1+v2v2)+(−(v1v2)+v2v1)i(u1v1+u2v2)+(−(u1v2)+u2v1)i=v1v1+v2v2(u1v1+u2v2)+(−(u1v2)+u2v1)i=v1v1+v2v2u1v1+u2v2+v1v1+v2v2−(u1v2)+u2v1i
が得られる。