어떤 열린 구간 (x,y)에도 유리수가 들어갑니다: n=⌊1/(y−x)⌋+1, m=⌊nx⌋+1이라 두면 x<m/n<y입니다. 분모 상한을 키우면 구간 안의 유리수 눈금이 늘어나는 모습을 보세요.
n=⌊y−x1⌋+1,m=⌊nx⌋+1
x<nm<y
z=r+(s−r)22is irrational
예제
실수 x에 대해 n≤x<n+1을 만족하는 정수 n이 존재함을 아르키메데스 성질로 완전히 증명하세요 (Tao, 명제 4.4.1).
∀x∈R∃n∈Z:n≤x<n+1
구간 (1,2): n=⌊1/(2−1)⌋+1=2, m=⌊2⋅1⌋+1=3이므로 q=3/2=1.5가 구간 안에 들어갑니다. 아래 증명은 이 구성이 항상 통함을 보입니다.증명 보기
S={k∈Z:k≤x}라 둡니다. 아르키메데스 성질에 의해 −x보다 큰 자연수 K가 존재하고, −K<x이므로 −K∈S — S는 비어 있지 않으며 x를 상계로 갖습니다.
위로 유계인 정수의 비어 있지 않은 집합은 최댓값을 가집니다: x보다 큰 정수 M을 잡으면(아르키메데스), S′′={M−s:s∈S}는 0 이상의 정수들로 이루어진 비어 있지 않은 집합이므로 정렬성 원리에 의해 최소 원소 M−n (n∈S)을 갖습니다. 모든 s∈S에 대해 M−s≥M−n, 즉 s≤n이므로 n=maxS입니다.
n∈S이므로 n≤x입니다. 또한 n+1>x입니다: 그렇지 않으면 n+1≤x라서 n+1∈S가 되어 n의 최대성에 모순이기 때문입니다. 따라서 n≤x<n+1 — 모든 실수는 정수 눈금 두 칸 사이에 정확히 들어갑니다.
x<y인 실수에 대해 x<q<y인 유리수 q가 존재함을 완전히 증명하세요 — 유리수는 실수에서 조밀합니다 (Tao, 명제 4.4.3).
x<y⇒∃q∈Q:x<q<y
n=⌊y−x1⌋+1,m=⌊nx⌋+1,q=nm
구간 (1,2): 1/n<y−x를 만족하는 n=2를 잡으면 간격 1/2짜리 눈금 …,1,3/2,2,… 중 3/2가 구간 안에 떨어집니다 — 증명의 구성이 눈앞에서 실행된 것입니다.증명 보기
y−x>0이므로 아르키메데스 성질에 의해 y−x1보다 큰 자연수 n이 존재합니다 — 즉 n1<y−x입니다. 모델은 n=⌊y−x1⌋+1로 이 n을 직접 계산합니다.
위 문제 1을 nx에 적용하면 m−1≤nx<m인 정수 m이 존재합니다 (모델은 m=⌊nx⌋+1로 계산합니다). q=m/n이라 두면, m>nx에서 nm>nnx=x입니다.
또한 m<nx+1이고, n1<y−x는 1<n(y−x)와 동치이므로 nx+1<nx+n(y−x)=ny입니다. 따라서 m<ny, 즉 nm<y입니다. 두 부등식을 합치면 x<nm<y — 원하는 유리수 q=m/n을 찾았습니다.
핵심 아이디어는 이것입니다: 구간 길이보다 잘게 눈금을 나누면(1/n<y−x), 눈금 하나가 구간을 건너뛰어 넘어갈 수 없습니다. 구간이 아무리 좁아도((0,0.1), (−3.5,−3.4) 프리셋을 보세요) 눈금을 더 잘게 나누면 되므로, 예외는 없습니다.
구간 (1,2): 유리수 r=3/2, s=7/4를 잡으면 z=23+41⋅22≈1.677은 (1,2) 안의 무리수입니다 — 유리수 눈금 사이에 무리수가 반드시 끼어듭니다.증명 보기
위 문제 2에 의해 (x,y) 안에 유리수 r<s가 존재합니다. z=r+(s−r)22라 둡니다. 1<2<4이고 제곱은 [0,∞)에서 엄격히 증가하므로(위 sqrt2-irrational 장면의 문제 1과 n제곱근 장면), 1<2<2 — 따라서 0<22<1입니다.
s−r>0이므로 0<(s−r)22<s−r이고, 양변에 r을 더하면 r<z<s입니다. x<r이고 s<y이므로 x<z<y — z는 구간 안에 들어갑니다.
z가 무리수임을 보입니다. 만약 z가 유리수라면 2=s−r2(z−r)인데, 우변은 분모가 0이 아닌 유리수들의 사칙연산이므로 유리수 — 2가 무리수라는 명제 4.4.4(sqrt2-irrational 장면 문제 1)에 모순입니다. 따라서 z는 무리수이며, x<z<y를 만족합니다.
따름정리: 실수 직선의 모든 열린 구간은 유리수도 무리수도 모두 포함합니다. 유리수가 조밀하다고 해서 "거의 모든" 실수가 유리수라는 뜻은 아닙니다 — 오히려 그 반대가 참입니다 (가산성 장면).