1. 칸토어의 동형성 정리
칸토어의 동형성 정리. 가산이고 양끝점이 없으며 조밀한 전순서 집합은 순서 동형에 대해 유일하다.
증명 1. (Back-and-Forth Argument)

n번째 단계에서 argminkak∈A∖domfn을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 b∈B∖imfn과 대응시키고, argminlbl∈B∖(imfn∪{b})을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 a∈A∖(domfn∪{ak})와 대응시킨다.
증명 2. (Only-Forth Argument)

n번째 단계에서 argminkak∈A∖domfn을 순서 동형성을 만족하게끔 b∈B∖imfn 중에서 가장 인덱스가 작은 bl과 대응시킨다.
잘못된 증명. (Incorrect Only-Forth Argument)
n번째 단계에서 argminkak∈A∖domfn을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 b∈B∖imfn와 대응시킨다.
잘못된 이유: im[⋃fn]이 B 전체를 소진한다는 보장이 없다. 일례로 모든 경우 선택된 b의 인덱스가 짝수인 경우가 가능하다.
2. 데데킨트 절단
정의. 전순서 집합 (P,<)에 대하여 P의 부분집합 A,B가 다음을 만족할 때 (A,B)를 절단이라고 한다.
- A⊔B=P
- 임의의 a∈A,b∈B에 대해 a<b이다.
추가로 다음을 만족할 때 데데킨트 절단이라고 한다.
- A는 최대 원소를 가지지 않는다.
추가로 다음까지 만족할 때 틈이라고 한다.
- B는 최소 원소를 가지지 않는다.
Remark 1. P가 완비이다 ⇔ P는 틈을 가지지 않는다.
Remark 2. P=Q일 때 틈은 무리수 집합을, 데데킨트 절단은 실수 집합을 나타낸다.

3. 완비화 정리
완비화 정리. (P,<)가 양끝점이 없는 조밀한 전순서라면 다음을 만족하는 완비 전순서 (C,≺)가 순서 동형에 대해 유일하게 존재한다.
- P⊆C
- ≺는 P에서 <와 일치한다.
- P는 C에서 조밀하다. 즉, c1<c2∈C에 대해 c1<p<c2를 만족하는 p∈P가 언제나 존재한다.
- C는 양끝점이 없다.
유일성 증명.
(C,≺)와 (C∗,≺∗)가 조건을 만족하는 완비 전순서라고 하자. 다음과 같이 정의된 ϕ:C→C∗는 순서 동형 사상이다.
- c∈P라면 ϕ(c)=c
- c∈/P라면 ϕ(c)=sup∗{p∈P:p≺c}
존재성 증명.
다음과 같이 정의한다.
G={(A,B):(A,B) is a gap of P}D={(A,B):(A,B) is a Dedekind cut of P}P=D∖G
라고 하자. 다음과 같이 D에 순서를 준다.
(A1,B1)≺(A2,B2)⟺A1⊂A2
(A,B)∈P라면 어떤 p에 대해 B={x∈P:x≥p}이며, 이때 (A,B)=[p]라고 적자. 즉,
P={[p]:p∈P}
(P,≺)∼(P,<)임을 쉽게 확인할 수 있다. 이제 다음을 보인다.
Claim. D는 P에 대해 완비화 정리의 4가지 조건을 모두 만족하는 확장이다.
1, 2, 4는 자명하다. 3을 보인다.
d1=(A1,B1),d2=(A2,B2)∈D에 대해 d1≺d2, 즉 A1⊂A2라고 하자. p∈A2∖A1이며 p가 B의 최소 원소가 아닌 p∈P가 존재한다. 그러한 p에 대해 d1≺[p]≺d2이다. □
마지막으로 다음을 보인다.
Claim. (D,≺)는 완비이다.
S가 위로 유계인 D의 공집합이 아닌 부분집합이라고 하자. 다음과 같이 정의한다.
AS=⋃{A:(A,B)∈S}BS=⋂{B:(A,B)∈S}
(AS,BS)∈D이며, S의 최소 상계임을 확인할 수 있다. ◾
집합론적 실수의 정의. 다음을 만족하는 집합 (R,<)은 순서 동형에 대해 유일하다.
- 완비 전순서 집합이다.
- 양끝점이 없다.
- 분리 가능하다(separable). 즉, Q⊂R이 존재하여 Q는 가산집합이고 R에서 조밀하다.
증명. 칸토어의 동형성 정리와 완비화 정리로부터 따라 나온다.