1.7節 線長論
著者:梅谷 武
語句:線長比, 数比, 有理数, 実数, 平方根
線長比の比例類は線長量上の相似変換を定めること、線長比を対称化したものは有理数を含む実数の部分順序体になることを示す。
作成:2009-08-26
更新:2011-03-08
ここでは線長量L+を固定して考えます。命題VI-12「与えられた三つの直線に比例する第四の直線を見出すこと。」によって、L+の任意の比a:bと任意の元cを与えたときに、α ∈ a, β ∈ b, γ ∈ cを適当にとれば、a:b=c:dなるδ ∈ d = [δ]を作図することができます。
これは比
a:bが
L+上の変換を定めていると考えることができます。
φa:b : L+ L+, c φa:b(c) := d
|
命題V-12より、この写像は半加群としての準同型写像になっています。
φa:b(s + t) = φa:b(s) + φa:b(t), s,t ∈ L+
|
命題V-14より、この写像は順序を保存します。
s > t ⇒ φa:b(s) > φa:b(t), s,t ∈ L+
|
さらに全単射であり、順序半加群
L+としての自己同型写像になっていることもわかります。
一般に線長量の半加群としての自己同型写像と数比には次の関係が成り立ちます。
線長量
L+の任意の自己同型写像
φについて、次が成り立つ。
証明
略■
線長量
L+の任意の元
aと任意の自然数
m,n,m',n'について、次が成り立つ。
証明
略■
アルキメデス性を用いると線長量の稠密性を証明することができます。
線長量
L+の二元
a,bが
a < bであるとき、任意の元
c ∈ L+について自然数
m,nが存在して、次が成り立つ。
証明
n(b-a) > cなる自然数
nをとれば
となる。次に自然数の集合
の最小元を
mとすると、
であるから
■
ここまでの準備によって、線長量L+の半加群としての自己同型群Aut(L+)と線長比RL+は一対一に対応するという次の定理を証明することができます。
線長比
RL+から線長量
L+の自己同型群
Aut(L+)への埋め込み写像
φ : RL+ Aut(L+), a:b φa:b
|
は全単射である。
証明
Aut(L+)に属する自己同型写像は一点で一致すれば等しいことを示す。
φ1, φ2 ∈ Aut(L+)がある元
aについて
φ1(a) = φ2(a) = cを満たしているとする。このときある元
bについて
φ1(b) < φ2(b)であると仮定しよう。稠密性より、自然数
m,nが存在して、
となるが、補題より、
であるから矛盾する。任意の自己同型写像
φについて、
L+の任意の元
aをとり、
b := φ(a)とすれば
φ = φb:aとなる。■
以後、
RL+と
Aut(L+)を同一視し、
RL+の元を比と考えるときは
a:bと書き、自己同型写像
φa:bと考えるときは
と書くことにします。ここで注意すべきは自己同型写像
φa:bが、
a:bを慣例上の方法で分数と考えたときの逆比になっていることです。
線長比は単なる線形変換ではなくて相似変換になっています。
線長比は線長量
L+上の変換として比を保存する。
c:d ∝ | | c : | | d, a,b,c,d ∈ L+
|
証明
略■
RL+は自己同型群、すなわち写像の合成に関して群になります。単位元は
で、
に対して
が逆元になります。これは比でいえば逆比に対応します。
証明
可換性を示す。
a,b,c,d,s ∈ L+とすると、
である。ここで二つの量の列
( | | ( | | s ), | | s, s ),
( | | ( | | s ), | | s, s )
|
は乱比例するから、命題V-23より、
命題V-9より
■
線長比
RL+に加法を次のように導入します。
(1.6) | ( | | + | | )s := | | s + | | s,
a,b,c,d,s ∈ L+
|
|
L+が可差半加群であることから、
RL+も可差半加群になります。さらに順序について次が成り立ちます。
a,b,c,d ∈ L+とすると
証明
略■
線長比
RL+は分配律を満たす。すなわち、
λ,μ,ν ∈ RL+について次が成り立つ。
証明
略■
線長比
RL+の積には次の性質がある。
(積の単調性)
| 任意の三元λ,μ,νについて
λ < μ ⇒ λν < μν |
証明
λ=μ+rとするとλν=(μ+r)ν=μν+rνであるからλν < μν■
線長比
RL+はアルキメデス的である。すなわち、任意の元
λについて、
λ < nなる自然数
nが存在する。
証明
L+のアルキメデス性による。■
線長比
RL+の二元
λ,μが
λ < μであるとき、自然数
m,nが存在して次が成り立つ。
証明
L+の稠密性による。■
線長比
RL+の閉包はアルキメデス的可差半環である。
前小節の結果から、線長比
RL+の閉包
RL+は可差半環であり、対称化すればアルキメデス的順序環になることがわかりました。これは自然に線長量
L+を対称化した順序加群
Lの比であると考えることができます。線長量
L+を対称化すると
L = L+ ∪ {0} ∪ L-となりますが、この中で
0でないものを
L× = L+ ∪ L-とし、その直積集合を比の集合と考えます。
ℛL× := { a:b | a,b ∈ L× }
|
そして比例の定義を次のように拡張します。
二つの比
a:bと
c:dが比例するとは、任意の
0でない整数
m,nに対して次が成り立つことをいう。
このような拡張によって、無向量の比に関する命題を自然に対称化無向量に拡張することができます。この比例類の集合をRL×と書くことにしましょう。
線長比
RL+を対称化したときの負の元は
と書くことができますが、これは、比としては
に対応し、
L×上の変換としては正の部分を負の部分に、負の部分を正の部分に写す符号を反転する変換になります。
RL×の元は線長比の比例類と考えるよりは、その比例類が定める線長量L上の相似変換と考えるのが適切です。
RL := RL× ∪ {0}とおくと、これは線長比RL+の閉包を対称化したアルキメデス的順序環と同じものです。零元以外の元はすべて逆元をもちますから次が得られます。
一般にアルキメデス的順序体
Rの距離
dは、絶対値を使って、
d(x,y) := |x - y|, x,y ∈ R
|
と定めます。これは正値性、対称性、三角不等式を満たし、これにより収束概念やCauchy列、完備性を定義できます。実数論を認めれば、完備なアルキメデス的順序体は
実数じっすう, real numberℝが唯一無二のものですから、すべてのアルキメデス的順序体は実数
ℝの部分順序体として埋め込むことができます。したがって、線長比
RLは有理数
ℚを含む実数
ℝの部分順序体とみなすことができます。
命題VI-13「与えられた二つの直線の比例中項を見出すこと。」は、二つの線長量
a,b ∈ L+が与えられたとき、
なる比例中項
c ∈ L+が常に存在することを意味しています。この比例中項により分解された比を元の比の
平方根へいほうこん, square rootと呼び、
と書きます。
言い換えれば、線長比
RL+の任意の元
λについて、代数方程式
は
RL+において一意的な解
√λを持ちます。
RLで考えれば
-√λも解になりますから、解は
± √λとなります。
[
1] 南雲 道夫, 量と実数, 数学セミナー, 1979.1~1979.2
数 学
有理数 ゆうりすう, ratinal number
実数 じっすう, real number
平方根 へいほうこん, square root