公理基礎:希爾伯特、平行公設與嚴謹性
完備公理(completeness axiom)
/ DAY-duh-kint /
阿基米德公理禁止無限大或無限小的長度,卻仍讓直線佈滿針孔。想像數線上的有理點:它們處處稠密,卻在根號 2 處沒有有理點,於是一條只以有理數為點的線,恰好在單位正方形對角線該穿過之處有個缺口。完備公理就是補上每一個這類洞的修補,保證幾何直線是無縫的連續體,沒有缺失的點。
希爾伯特把它表述為一個極大性條件:一條線上的點構成一個系統,在不破壞先前公理(接合、順序、全等與阿基米德公理)的前提下,無法再添加任何點進去。說白些,這條線在那些公理允許的範圍內已經滿了——你塞不進額外的點。一個等價而更直觀的版本是戴德金公理:若你把一條線上所有的點分成兩個非空集合,一個「左」部與一個「右」部,使每個左點都在每個右點之前,則恰有一個點作成這個分割——不是左邊最後一點,就是右邊第一點。每個對直線的乾淨切分都由一個實際的點封住;沒有哪個切分落進缺口。
為何重要:完備性正是讓兩個本應相交的圓真的交於一點、保證一條由線一側越到另一側的連續曲線真的碰到該線、並讓每個長度對應一個實數、每個實數對應一個長度的依據。它與阿基米德公理一起,使幾何直線成為實數線的忠實副本。這也是最深的一條公理——它把歐氏幾何由離散或有理的骨架提升到完整的實連續體,正是這個成分讓實平面成為(在同構意義下)唯一的模型。
在根號 2 該落的缺口處切分直線:左集=離原點距離平方小於 2 的所有點,右集=其餘。在有理數上這個切分落空。完備公理堅持恰有一個實點正坐落在那裡——而那個點就是單位正方形的對角線長,終於有了歸宿。
每個對直線的乾淨切分都由一個點封住——直線沒有洞。
完備性強於阿基米德公理,且不能由它推出:有理數線是阿基米德的,卻滿是缺口。兩條連續公理一起——也只有一起——才能把直線釘在實數上。
又稱
另見