何謂real number？

real number者,實數也

數學上，實數直觀地定義為和數線上的點一一對應的數。本來實數只喚作數，後來引入了虛數概念，原本的數稱作「實數」——意義是「實在的數」。

實數可以分為有理數和無理數兩類，或代數數和超越數兩類，或正數，負數和零三類。實數集合通常用字母 R 或 表示。而 Rn 表示 n 維實數空間。實數是不可數的。實數是實分析的核心研究對象。

實數可以用來測量連續的量。理論上，任何實數都可以用無限小數的方式表示，小數點的右邊是一個無窮的數列（可以是循環的，也可以是非循環的）。在實際運用中，實數經常被近似成一個有限小數（保留小數點後 n 位，n 為正整數）。在電腦領域，由於電腦只能存儲有限的小數位數，實數經常用浮點數來表示。

目錄 [隱藏]
1 歷史
2 定義
2.1 從有理數構造實數
2.2 公理的方法
3 例子
4 性質
4.1 基本運算
4.2 完備性
4.3 「完備的有序域」
4.4 高級性質
5 擴展與一般化
6 請參閱



[編輯] 歷史
埃及人早在大約公元前1000年就開始運用分數了。在公元前500年左右，以畢達哥拉斯為首的希臘數學家們意識到了無理數存在的必要性。印度人於公元600年左右發明了負數，據說中國也曾發明負數，但稍晚於印度。

直到17世紀，實數才在歐洲被廣泛接受。18世紀，微積分學在實數的基礎上發展起來。直到1871年，德國數學家康托爾第一次提出了實數的嚴格定義。


[編輯] 定義

[編輯] 從有理數構造實數
實數可以用通過收斂於一個唯一實數的十進位或二進位展開如 {3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415,…} 所定義的序列的方式而構造為有理數的補全。實數可以不同方式從有理數構造出來。這裡給出其中一種，其他方法請詳見實數的構造。


[編輯] 公理的方法
設 R 是所有實數的集合，則：

集合 R 是一個域： 可以作加、減、乘、除運算，且有如交換律，結合律等常見性質。
域 R 是個有序域，即存在全序關係 ≥ ，對所有實數 x, y 和 z：
若 x ≥ y 則 x + z ≥ y + z；
若 x ≥ 0 且 y ≥ 0 則 xy ≥ 0。
集合 R 滿足戴德金完備性，即任意 R 的非空子集 S ()，若 S 在 R 內有上界，那麼 S 在 R 內有上確界。
最後一條是區分實數和有理數的關鍵。例如所有平方小於 2 的有理數的集合存在有理數上界，如 1.5；但是不存在有理數上確界（因為 不是有理數）。

實數通過上述性質唯一確定。更準確的說，給定任意兩個戴德金完備的有序域 R1 和 R2，存在從 R1 到 R2 的唯一的域同構，即代數學上兩者可看作是相同的。


[編輯] 例子
15 (整數)
2.121 (有限小數)
1.3333333... (無限循環小數)
π = 3.1415926... (無限不循環小數)
(無理數)
(分數)

[編輯] 性質

[編輯] 基本運算
實數可實現的基本運算有加、減、乘、除、平方等，對非負數還可以進行開方運算。實數加、減、乘、除（除數不為零）、平方後結果還是實數。任何實數都可以開奇次方，結果仍是實數，只有非負實數，才能開偶次方其結果還是實數。


[編輯] 完備性
作為度量空間或一致空間，實數集合是個完備空間，它有以下性質：

所有實數的柯西序列都有一個實數極限。
有理數集合就不是完備空間。例如，(1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, 1.41421, ...) 是有理數的柯西序列，但沒有有理數極限。實際上，它有個實數極限 。實數是有理數的完備化——這亦是構造實數集合的一種方法。

極限的存在是微積分的基礎。實數的完備性等價於歐幾里德幾何的直線沒有「空隙」。


[編輯] 「完備的有序域」
實數集合通常被描述為「完備的有序域」，這可以幾種解釋。

首先，有序域可以是完備格。然而，很容易發現沒有有序域會是完備格。這是由於有序域沒有最大元素（對任意元素 z，z + 1 將更大）。所以，這裡的「完備」不是完備格的意思。
另外，有序域滿足戴德金完備性，這在上述公理中已經定義。上述的唯一性也說明了這裡的「完備」是指戴德金完備性的意思。這個完備性的意思非常接近採用戴德金分割來構造實數的方法，即從（有理數）有序域出發，通過標準的方法建立戴德金完備性。
這兩個完備性的概念都忽略了域的結構。然而，有序群（域是種特殊的群）可以定義一致空間，而一致空間又有完備空間的概念。上述完備性中所述的只是一個特例。（這裡採用一致空間中的完備性概念，而不是相關的人們熟知的度量空間的完備性，這是由於度量空間的定義依賴於實數的性質。）當然，R 並不是唯一的一致完備的有序域，但它是唯一的一致完備的阿基米德域。實際上，「完備的阿基米德域」比「完備的有序域」更常見。可以證明，任意一致完備的阿基米德域必然是戴德金完備的（當然反之亦然）。這個完備性的意思非常接近採用柯西序列來構造實數的方法，即從（有理數）阿基米德域出發，通過標準的方法建立一致完備性。
「完備的阿基米德域」最早是由希爾伯特提出來的，他還想表達一些不同於上述的意思。他認為，實數構成了最大的阿基米德域，即所有其他的阿基米德域都是 R 的子域。這樣 R 是「完備的」是指，在其中加入任何元素都將使它不再是阿基米德域。這個完備性的意思非常接近用超實數來構造實數的方法，即從某個包含所有（超實數）有序域的純類出發，從其子域中找出最大的阿基米德域。

[編輯] 高級性質
實數集是不可數的，也就是說，實數的個數嚴格多於自然數的個數（儘管兩者都是無窮大）。這一點，可以通過康托爾對角線方法證明。實際上，實數集的勢為 2ω（請參見連續統的勢），即自然數集的冪集的勢。由於實數集中只有可數集個數的元素可能是代數數，絕大多數實數是超越數。實數集的子集中，不存在其勢嚴格大於自然數集的勢且嚴格小於實數集的勢的集合，這就是連續統假設。該假設不能被證明是否正確，這是因為它和集合論的公理不相關。
實數集構成了一個度量空間：x 和 y 間的距離定義為絕對值 |x - y|。作為一個全序集，它也具有序拓撲。這裡，從度量和序關係得到的拓撲是一樣的。實數集又是 1 維的可縮空間（所以也是連通空間）、局部緊致空間、可分空間、貝利空間。但實數集不是緊致空間。這些可以通過特定的性質來確定，例如，無限連續可分的序拓撲必須和實數集同胚。
所有非負實數的平方根屬於 R，但這對負數不成立。這表明 R 上的序是由其代數結構確定的。而且，所有奇數次多項式至少有一個根屬於 R。這兩個性質使 R成為實閉域的最主要的實例。證明這一點就是對代數基本定理的證明的前半部分。
實數集擁有一個規範的測度，即勒貝格測度。
實數集的上確界公理用到了實數集的子集，這是一種二階邏輯的陳述。不可能只採用一階邏輯來刻畫實數集：1. Löwenheim-Skolem定理說明，存在一個實數集的可數稠密子集，它在一階邏輯中正好滿足和實數集自身完全相同的命題；2. 超實數的集合遠遠大於 R，但也同樣滿足和 R 一樣的一階邏輯命題。滿足和 R 一樣的一階邏輯命題的有序域稱為 R 的非標準模型。這就是非標準分析的研究內容，在非標準模型中證明一階邏輯命題（可能比在 R 中證明要簡單一些），從而確定這些命題在 R 中也成立。

[編輯] 擴展與一般化
實數集可以在幾種不同的方面進行擴展和一般化：

最自然的擴展可能就是複數了。複數集包含了所有多項式的根。但是，複數集不是一個有序域。
實數集擴展的有序域是超實數的集合，包含無窮小和無窮大。它不是一個阿基米德域。
有時候，形式元素 +∞ 和 -∞ 加入實數集，構成擴展的實數軸。它是一個緊致空間，而不是一個域，但它保留了許多實數的性質。
希爾伯特空間的自伴隨算子在許多方面一般化實數集：它們可以是有序的（儘管不一定全序）、完備的；它們所有的特徵值都是實數；它們構成一個實結合代數。

[編輯] 請參閱
有理數
無理數
虛數
複數