1821年柯西利用有理数序列的极限定义无理数,但依他的定义,该极限应是预先确定的数,只不过要求它与序列中的项之差趋于零而已。这实际上是一个循环定义。无理数的算术定义,必须在逻辑上无矛盾才行。G·康托尔在1872年用有理数的“基本序列”来定义无理数,把有理数基本序列的集合关于一种等价关系(具有同一极限)的等价数叫做实数,所有实数构成的集合记为R。对有理数a,令序列{a,a,…}所在的等价类与之相对应,就能在实数集中找到一个子集ˉQ与有理数集Q同构,ˉQ的元素也被称为有理数,不是有理数的实数被称为无理数。同一年,戴德金采用了对有理数进行划分的方法定义无理数,他还进一步证明了实数的连续性,外尔斯特拉斯于1860年提出了用递增有界数列来定义实数的思想,恰巧也在1872年,他的学生利萨克正式发表了他的定义。
1844,刘维尔开创了超越数研究。1874年,随着G·康托尔引入“可数”概念,人们发现,作为代数方程的根的无理数只是无理数的极小的部分,“几乎所有”的实数是都是超越数。
综上所述,人们在理解有理数的基础上定义出无理数,有理数本身却是未加严格定义的,定义无理数的需要无疑促使了对有理数的研究。1860年,外尔斯特拉斯在一次讲课时,用自然数的有序对定义出正有理数,用另一类型的自然数对定义负整数,再用一对正负整数来定义负有理数。稍加改进,就是现代采用的有理数定义方法。外尔斯特拉斯认为,只要承认自然数,建立数的理论就不需要进一步的公理了。他认为,自然数的本质和属性不能再作逻辑分析了。持这种观点的典型代表是克罗内克,1886他曾说过:“上帝创造了自然数,其余都是人做的工作。”但在19世纪末数学基础的研究中,人们还是要求证明自然数的无矛盾性——即对自然数加以准确的逻辑分析和定义。1889年,皮亚诺运用集合论思想给出了自然数的一个一个定义。皮亚诺的定义是所谓“序数”定义;G·康托尔等人则给出自然数的“基数”定义,当然,二者是等价的。至此,人们对数的认识画上了一个巨大的圆圈(从自然数到自然数),达到了新的层次。
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