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 .
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] .
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 .
A természetes számok meghatározásának két megközelítése van:
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]
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:
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.
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:
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] , ).
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 .
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 .
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.
Szótárak és enciklopédiák | ||||
---|---|---|---|---|
|
Numerikus rendszerek | |
---|---|
Megszámlálható készletek |
|
Valós számok és kiterjesztéseik |
|
Numerikus bővítő eszközök | |
Egyéb számrendszerek | |
Lásd még |
Egész számok | |||
---|---|---|---|
| |||
|