Természetes szám

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. szeptember 5-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Természetes számok (a lat.  naturalis  "természetes" szóból) - olyan számok , amelyek a számolás során természetesen keletkeznek (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 és így tovább [1] ). Az összes természetes szám növekvő sorrendbe rendezett sorozatát természetes sorozatnak nevezzük [2] .

A természetes számok halmaza végtelen, mivel bármely természetes számhoz létezik nál nagyobb természetes szám . A negatív és nem egész számok nem minősülnek természetes számoknak.

A természetes számok tulajdonságait és a velük végzett műveleteket az aritmetikai és (mélyebben) számelmélet vizsgálja .

Történelem

Ókori időszak

A természetes számok legprimitívebb ábrázolásának módja az, ha minden egyes objektum megszámlálásakor címkét helyezünk el. Később az objektumok halmazának egyenlősége, többlete vagy hiányossága ellenőrizhető - a jelölés törlésével és az objektum készletből való eltávolításával. Az absztrakció első jelentős előrelépése a számok használata volt a természetes számok jelölésére. Ez lehetővé tette a nagy számok írására alkalmas rendszerek kifejlesztését. Az ókori egyiptomiak kiterjedt számrendszert fejlesztettek ki, világos hieroglifákkal az 1-es, 10-es és minden hatványt 10-től 1 millió felettiig. Egy karnaki kőfaragványon , amely Kr.e. 1500-ból származik. és most a Louvre -ban a 276-os szám 2 százas, 7 tízes és 6 egyesben van ábrázolva; és hasonlóan a 4622-es számhoz [3] .

Sokkal újabb fejlemény volt az a gondolat, hogy a nullát úgy is felfoghatjuk, mint egy saját számjegyű számot. A 0 szám használata helymegjelölésben (más számokban) Kr.e. 700-ra nyúlik vissza. a babilóniaiak, akik kihagytak egy ilyen számjegyet, amikor az [a] szám utolsó karaktere volt . A nullát számként használták a középkori számításokban (a húsvét dátumának számítására), Dionysius Exiguus-tól kezdve i.sz. 525-ben, anélkül, hogy számmal ábrázolták volna (a szabványos római számokban nincs 0 szimbólum). Ehelyett a latot használtuk a nulla érték jelölésére.  nulla (vagy genitivus lat.  nullae jelentése "nem") [5] . A nulla újkori használata Brahmagupta indiai matematikustól származik i.sz. 628-ban.

A számoknak mint absztrakcióknak az első szisztematikus tanulmányozását általában a görög filozófusoknak, Püthagorasznak és Arkhimédésznek tulajdonítják . Egyes görög matematikusok az 1-es számot a nagy számoktól eltérően kezelték, és néha egyáltalán nem [b] számként . Eukleidész például először egy egység lényegét, majd a számot egységek halmazaként definiálta, így definíciója szerint az egység nem szám, és nincsenek egyedi számok (például bármely két egység az egységek határozatlan halmaza a 2) [7] .

Modern kor

A 19. századi Európában matematikai és filozófiai viták folytak a természetes számok pontos természetéről. Henri Poincaré volt az egyik szószólója egy ilyen koncepciónak, akárcsak Leopold Kronecker , aki így foglalta össze hitét: " Isten teremtette az egész számokat, minden más az ember műve ." Az ilyen fogalmat naturalisztikusnak [c] határozták meg .

A naturalistákkal ellentétben a konstruktivisták szükségét látták a matematika alapjaiban a logikai alap javításának. Az 1860-as években Hermann Grassmann a természetes számok rekurzív meghatározását javasolta, kijelentve, hogy ezek nem teljesen természetesek, hanem a definíciók következményei. Továbbá az ilyen formális definíciók két osztályát alkották meg; később kiderült, hogy a legtöbb gyakorlati alkalmazásban egyenértékűek.

A természetes számok halmazelméleti definícióit Frege kezdeményezte. Kezdetben úgy határozta meg a természetes számot, mint az összes halmaz osztályát, amelyek egy-egy halmaznak megfelelnek. Ez a meghatározás azonban paradoxonokhoz, köztük Russell paradoxonjához vezetett . Az ilyen paradoxonok elkerülése érdekében a formalizmust úgy változtatták meg, hogy egy természetes számot meghatározott halmazként definiálunk, és minden olyan halmazt, amely egy az egyben megfeleltethető ezzel a halmazzal, ilyen számú elemet tartalmaz. [9] .

A definíciók második osztályát Charles Sanders Peirce vezette be , Richard Dedekind finomította, és Giuseppe Peano vizsgálta meg – ezt a megközelítést ma Peano axiómáinak nevezik . A rendes számok tulajdonságainak axiomatizálásán alapul: minden természetes számnak van utódja, és minden nem nulla természetes számnak egyedi elődje. A Peano aritmetika több gyenge halmazelméleti rendszerrel ekvivalens. Az egyik ilyen rendszer a Zermelo-Fraenkel (ZFC) rendszer, amelyben a végtelen axiómáját a tagadása váltja fel. A ZFC -ben bizonyítható, de a Peano-axiómákkal nem igazolható tételek közé tartozik a Paris-Harrington- tétel, a Goodstein-tétel és mások [10] .

A definíciók ezen alapja alapján célszerű természetes számként felvenni a nullát (ami az üres halmaznak felel meg). A nulla szerepeltetése ma már általános a halmazelmélet [11] és a logikai konstrukciók [12] között .

Hely nulla

A természetes számok meghatározásának két megközelítése van:

  1. az objektumok számlálása (számozása) során felmerülő számok : első , második , harmadik , negyedik , ötödik ...;
  2. számok, amelyek a tételek számának megadásakor jelennek meg : 0 tétel , 1 tétel , 2 elem , 3 elem , 4 elem , 5 elem ...

Az első esetben a természetes számok sorozata egytől , a másodikban nullától indul . A legtöbb matematikusnak nincs közös véleménye az első vagy a második megközelítés preferálásáról (vagyis arról, hogy a nullát természetes számnak kell-e tekinteni vagy sem). Az orosz források túlnyomó többségében hagyományosan az első megközelítést alkalmazzák [13] . A második megközelítést például Nicolas Bourbaki írásai alkalmazzák , ahol a természetes számokat véges halmazok kardinalitásaként határozzák meg . A nulla jelenléte megkönnyíti számos tétel megfogalmazását és bizonyítását a természetes számok aritmetikájában, így az első megközelítés bevezeti a nullát tartalmazó kiterjesztett természetes sorozat hasznos fogalmát [13] .

Az összes természetes szám halmazát általában a szimbólummal jelöljük . Az ISO 31-11 (1992) és az ISO 80000-2 (2009) nemzetközi szabványok a következő elnevezéseket határozzák meg [14] :

Ugyanúgy, mint az ISO-ban, a természetes számok halmazának jelölése az orosz GOST 2011: R 54521-2011 6.1 táblázatában van rögzítve [15] . Ennek ellenére az orosz forrásokban ezt a szabványt még nem tartják be - bennük a szimbólum a természetes számokat jelöli nulla nélkül, és a kiterjesztett természetes sorozatot jelöli stb. [13]

Axiómák, amelyek lehetővé teszik a természetes számok halmazának meghatározását

Peano axiómái természetes számokra

Egy halmazt természetes számok halmazának nevezünk, ha valamilyen 1 (egy) elem, egy definíciós tartományú függvény , amelyet szukcessziós függvénynek ( ) neveznek, rögzített, és a következő feltételek teljesülnek:

  1. 1 elem ebbe a halmazba ( ) tartozik, azaz természetes szám;
  2. a természetes számot követő szám is természetes szám (ha , akkor vagy rövidebb jelöléssel );
  3. az egység nem követ semmilyen természetes számot ( );
  4. ha egy természetes szám közvetlenül követi mind a természetes számot , mind a természetes számot , akkor és  ugyanaz a szám (ha és , akkor );
  5. ( indukciós axióma ), ha bármely állítás (állítás) igazolt egy természetes számra ( indukciós alap ), és ha abból a feltételezésből, hogy igaz egy másik természetes számra , az következik, hogy igaz a következő természetes számra ( induktív feltevés ) , akkor ez az állítás minden természetes számra igaz (legyen  valamilyen unáris (unáris) predikátum , melynek paramétere egy természetes szám . Ekkor, ha és , akkor ).

A fenti axiómák a természetes sorozatok és számegyenesek intuitív megértését tükrözik .

Az alapvető tény az, hogy ezek az axiómák lényegében egyedileg határozzák meg a természetes számokat (a Peano-féle axiómarendszer kategorikus jellegét). Ugyanis bebizonyítható (lásd [16] , valamint egy rövid bizonyíték [17] ), hogy ha és  van két modell a Peano-axiómarendszerre, akkor azok szükségszerűen izomorfak , azaz létezik invertálható leképezés ( bijekció ) így és mindenért .

Ezért elegendő a természetes számok halmazának bármely konkrét modelljét rögzíteni.

Néha, különösen a külföldi és lefordított irodalomban, Peano első és harmadik axiómája az egyet nullára cseréli. Ebben az esetben a nullát természetes számnak tekintjük. Ha ekvivalens halmazok osztályaiban határozzuk meg, a nulla definíció szerint természetes szám. Természetellenes lenne kifejezetten elvetni. Ráadásul ez jelentősen megnehezítené az elmélet további felépítését és alkalmazását, hiszen a legtöbb konstrukcióban a nulla, akárcsak az üres halmaz, nem valami elszigetelt dolog. Egy másik előnye annak, hogy a nullát természetes számnak tekintjük, hogy monoidot képez, amikor ezt teszi . Mint fentebb említettük , az orosz irodalomban a nullát hagyományosan kizárják a természetes számok számából.

Természetes számok halmazelméleti definíciója (Frege-Russell definíció)

A halmazelmélet szerint bármely matematikai rendszer felépítésének egyetlen tárgya a halmaz .

Így a természetes számokat is bevezetik a halmaz fogalma alapján, két szabály szerint:

Az így megadott számokat sorszámoknak nevezzük .

Írjuk le az első néhány sorszámot és a hozzájuk tartozó természetes számokat:

A természetes számok halmazának kardinalitása

Egy véges halmaz elemszámának végtelen halmazokra történő általánosítását a " halmaz hatványa " fogalma jellemzi . A számosság szempontjából a természetes számok halmaza nagyobb bármely véges halmaznál, de kisebb bármely intervallumnál , például . A természetes számok halmaza ekvivalens a racionális számok halmazával . Minden olyan halmazt, amely egyenértékű a természetes számok halmazával, megszámlálható halmaznak nevezzük . Így bármely sorozat taghalmaza megszámlálható. Ugyanakkor létezik egy sorozat, amelyben minden természetes szám végtelen számú alkalommal fordul elő, mivel a természetes számok halmaza diszjunkt megszámlálható halmazok megszámlálható uniójaként is ábrázolható (például [18] , ).

Műveletek természetes számokkal

A természetes számokon végzett zárt műveletek (olyan műveletek, amelyek nem adnak ki eredményt a természetes számok halmazából) a következő számtani műveleteket tartalmazzák:

Ezenkívül két további műveletet is figyelembe veszünk (formális szempontból ezek nem természetes számok műveletei, mivel nem minden számpárra vannak meghatározva (néha léteznek, néha nem)):

Meg kell jegyezni, hogy az összeadás és a szorzás műveletei alapvetőek. Az egész számok gyűrűjét pontosan az összeadás és szorzás bináris műveletei határozzák meg .

Alaptulajdonságok

Algebrai szerkezet

Az összeadás a természetes számok halmazát egységnyi félcsoporttá alakítja , az egység szerepét 0 játssza . A szorzás a természetes számok halmazát is egységnyi félcsoporttá alakítja, ahol az 1 az azonossági elem . Az összeadás-kivonás és szorzás-osztás műveletek alatti lezárás segítségével megkapjuk az egész számok, illetve a racionális pozitív számok csoportjait .

Halmazelméleti definíciók

Használjuk a természetes számok definícióját véges halmazok ekvivalenciaosztályaiként . Ha az A halmaz bijekciókkal generált ekvivalencia osztályát szögletes zárójelben jelöljük ki : [ A ], akkor az alapvető aritmetikai műveletek a következők:

ahol:

Megmutatható, hogy az eredményül kapott osztályokra vonatkozó műveletek helyesen vannak bevezetve, vagyis nem függenek az osztályelemek megválasztásától, és egybeesnek az induktív definíciókkal.

Érdekes tények

Lásd még

Megjegyzések

  1. A Kish-tábla , amelyről úgy gondolják, hogy Kr.e. 700-ra datálható, három horoggal jelzi az üres helyet a hivatkozási jelölésben. Más, nagyjából ugyanabban az időben készült asztalok egyetlen horoggal vannak felszerelve üres helyként. [négy]
  2. Ezt a rendelkezést használják például az Euclid's Elements-ben, lásd D. Joyce VII. könyvének online kiadását. [6]
  3. angol fordítás - Gray nyelvről. A lábjegyzetben Gray jelzi a német idézet forrását: " Weber 1891–1892, 19, idézet Kronecker 1886-os előadásából ." [nyolc]

Jegyzetek

  1. OEIS sorozat A000027 _
  2. Elemi matematika, 1976 , p. tizennyolc.
  3. Ifrah, Georges. A számok egyetemes története . - Wiley, 2000. - ISBN 0-471-37568-3 .
  4. A nulla története . MacTutor Matematika története . Hozzáférés dátuma: 2013. január 23. Az eredetiből archiválva : 2013. január 19.
  5. Deckers, Michael Cyclus Decemnovennalis Dionysii - Dionysius tizenkilenc éves ciklusa . Hbar.phys.msu.ru (2003. augusztus 25.). Letöltve: 2012. február 13. Az eredetiből archiválva : 2019. január 15.
  6. Eukleidész . VII. könyv, 1. és 2. meghatározás // Elemek . — Clark Egyetem.
  7. Mueller, Ian. A matematika filozófiája és a deduktív struktúra Euklidész elemeiben . - Mineola, New York: Dover Publications, 2006. - P. 58. - ISBN 978-0-486-45300-2 .
  8. Grey, Jeremy. Platón szelleme: A matematika modernista átalakulása . - Princeton University Press, 2008. - P. 153. - ISBN 978-1-4008-2904-0 . Archivált : 2017. március 29. a Wayback Machine -nál
  9. Eves, 1990 , 15. fejezet
  10. Kirby, Laurie; Paris, Jeff (1982). „Hozzáférhető függetlenségi eredmények a Peano aritmetikához.” A Londoni Matematikai Társaság közleménye . Wiley. 14 (4): 285-293. DOI : 10.1112/blms/14.4.285 . ISSN  0024-6093 .
  11. Bagaria, Joan. Halmazelmélet . - 2014. tél. - The Stanford Encyclopedia of Philosophy, 2017. Archiválva : 2015. március 14. a Wayback Machine -nél
  12. Goldrei, Derek. 3 // Klasszikus halmazelmélet: Irányított független tanulmány . - 1. kiad., 1. nyomat. – Boca Raton, Fla. [ua]: Chapman & Hall/CRC, 1998. –  33. o . - ISBN 978-0-412-60610-6 .
  13. 1 2 3 Potapov M. K., Alexandrov V. V., Pasichenko P. I. Algebra és elemi függvények elemzése. - M. : Nauka, 1981. - S. 9. - 560 p.
  14. 80000-2:2009 nemzetközi szabvány. 2. rész . NCSU COE emberek . Letöltve: 2019. augusztus 12. Az eredetiből archiválva : 2019. február 28..
  15. GOST R 54521-2011 Statisztikai módszerek. Matematikai szimbólumok és jelek a szabványokban való alkalmazáshoz (újrakiadás), 2011. november 24. - docs.cntd.ru. docs.cntd.ru _ Letöltve: 2022. január 14. Az eredetiből archiválva : 2021. július 9..
  16. Feferman S. Numerikus rendszerek. Az algebra és az elemzés alapjai. - 1971. - 445 p.
  17. A természetes számok egyediségének bizonyítása . Hozzáférés dátuma: 2011. február 4. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 22.
  18. Vinogradova I. A., Olehnik S. N., Sadovnichiy V. A. 48. feladat // Problémák és gyakorlatok a matematikai elemzésben. 1. könyv - 2. kiadás. - M . : Felsőiskola , 2000. - S. 146 (szöveg), 163 (válasz).
  19. Kérdés egy tudóshoz: hogyan adjunk össze minden természetes számot és kapjunk -1/12-t? . mipt.ru. _ Letöltve: 2020. december 30. Az eredetiből archiválva : 2021. február 10.

Irodalom

Linkek