35 votos

¿Esto es una prueba válida que hay infinitamente muchos números naturales?

Recuerdo leer una simple prueba de que los números naturales son infinitos que va como la siguiente:

  1. Deje $ℕ$ ser el conjunto de los números naturales.
  2. Suponga que $ℕ$ es finito. Ahora considere un número arbitrario $K$ donde $K$ es el número más grande en $ℕ$.
  3. $K+1$ es también un número natural tal que $K+1 > K$.
  4. Por lo tanto, $ℕ$ no puede ser finito.

Esta es una prueba válida? Y si es así, ¿cómo puede el 3er paso de ser válidos cuando asumimos en el 2º paso que $K$ es el número más grande en $ℕ$?

Entiendo que esto es una prueba por contradicción (mal?), pero si en un principio nos suponga $K$ a ser el número más grande, luego no podemos simplemente suponer que existe un número de $K+1$ más tarde!

38voto

Reese Puntos 140

La clave aquí es lo que queremos decir con la palabra "número natural" - sin una definición, por supuesto, la prueba está claro!

Una forma de definir los números naturales es este:

  1. El cero es un número natural.

  2. Si $k$ es un número natural, entonces $k + 1$ existe y es también un número natural.

  3. No hay otras cosas son números naturales.

(Hay un montón de cosas raras que puede suceder con esta definición, pero es lo suficientemente bueno, por ahora.)

Ahora, su paso (3) debe tener mucho más sentido - no estamos suponiendo que $K + 1$ existe, estamos usando el hecho de que $K$ es un "número natural" y que - por definición - un número natural es seguido por otro número natural.

22voto

No lo hacemos "asumir que existe un número $K+1$ más adelante", asumimos antes. Es uno de los axiomas fundamentales sobre números naturales.

14voto

Davislor Puntos 379

Eso es correcto uso de las definiciones estándar. Es muy similar a la estructura de Euclides del teorema de que existen infinitos números primos. Creo que el mayor sutileza la mayoría de los matemáticos tenemos con ella es que no especifican claramente sus axiomas.

Podríamos, por ejemplo, un objeto, un "Paso 3, se dice que n+1 > n. Pero ¿por qué tiene que ser diferente de 0, 1, 2 y así sucesivamente hasta n-1? No podría ser igual a algún otro número natural?" Si decimos, bien, vamos a definir más que como transitivo, lo que implica no-igual", Entonces ¿cómo sabemos que una función como la que existe en los números naturales? Un montón de funciones que podemos hablar no, como el cuadrado de la raíz."

Para responder eso, tendríamos que definir nuestros axiomas más claramente. La primera real de la formalización de los números naturales que todavía se enseña en la actualidad se aritmética de Peano. Un poco-versión modernizada de su axiomas sería:

  1. El cero es un número.

  2. Si una es un número, el sucesor de una es un número.

  3. Cero no es igual que el sucesor de cualquier número.

  4. Dos números de los que los sucesores son iguales son iguales a sí mismos.

  5. Si un conjunto S de números contiene cero y también el sucesor de cada número en S, entonces cada número natural es en S.

La traducción de la notación de Peano, n+1, el sucesor de n. Si utilizamos esta teoría, el axioma 2 nos dice que n+1 existe, axioma 3, nos dice que n+1 no es 0 y el axioma 4 nos dice que n+1 no es 0+1, 1+1, 2+1 o cualquier otro número (n-1)+1. Por lo tanto, se trata de un número diferente de cualquier otra en nuestra lista. Podemos hacer el paso 3 de su prueba de sonido mediante la definición de un>b iff un=b+1 o un>b+1 y, a continuación, muestra que, si un>b, una no es igual a cualquier número de 0 a b. En virtud de estos axiomas, sin embargo, no tenemos que dar ese paso adicional.

Los axiomas de la mayoría de los matemáticos utilizan hoy en día como la fundación de la norma matemáticas son Zermelo-Fraenkel de la teoría de conjuntos. Esa teoría se incluye un modelo de la aritmética de Peano donde los números son conjuntos, el cero es el conjunto vacío, el sucesor de un conjunto s es s∪{s}, y dos conjuntos son iguales si contienen todos los elementos de la otra. En esta teoría, tenemos que añadir un axioma que el conjunto que contiene al conjunto vacío y es cerrado bajo la sucesión existe, el Axioma de Infinitud. Si asumimos que en lugar de que no había ningún conjunto infinito, podríamos conseguir un conjunto coherente de teoría, pero no lo podíamos usar para hacer la aritmética de Peano sin llegar a una contradicción.

Hay otras construcciones que a veces voy a ver en que sea "infinito" o "número" tiene un diferente significado formal. La informática teórica, a veces, utiliza la Iglesia números, por ejemplo. Otra definición común de "infinito" es Dedekind infinito, donde un conjunto es infinito si se pueden poner en una correspondencia uno a uno con un subconjunto de sí mismo, como la multiplicación por 2 pone los números naturales en una correspondencia uno a uno con los números. Incluso hay algunos matemáticos que decir que la única objetos matemáticos que "existen" son aquellos que pueden ser construidos en un número finito de pasos, así que si te dicen que algo es "infinito" no debe ser el tipo de cosa en su teoría de las matemáticas está hablando. Así que estaría de acuerdo con usted, hasta que te empieza a decir que "los números naturales", es en sí una entidad bien definida que puede tener propiedades como "infinito".

7voto

Mark Struzinski Puntos 11288

El problema es que necesitamos una definición de ambos términos, "números naturales" y "infinito". En Zermelo-Fraenkel de la teoría de conjuntos tenemos el axioma de infinitud, una versión de que los estados:

$\exists_S (\emptyset \in S \land (\forall_x (x \in S \rightarrow x \cup \{x\} \in S)))$

Esta cuestión ya está etiquetado con la teoría de conjuntos, vamos a tomar esto como un ejemplo de un "infinito". Entonces, ¿qué es un "número natural"? Hay un conjunto teórico-definición de este término demasiado. Se dice que $0 = \emptyset$, $1 = 0 \cup \{0\}$, $2 = 1 \cup \{1\}$, y, en general,$n + 1 = n \cup \{n\}$. O en otras palabras, si queremos tener un conjunto $S$ de todos ellos, debe satisfacer $\emptyset \in S \land (\forall_x (x \in S \rightarrow x \cup \{x\} \in S))$. Pero que es exactamente la misma propiedad que nuestro "infinito" se define un conjunto a tener!

Por lo tanto, hay una aún más simple, la prueba! Es axiomático que existen infinitos números naturales.

Esta no es la única manera de definir a los "números naturales" en $\text{ZF}$ (a pesar de que es el canónico), ni hay sólo una manera de definir el concepto de "infinito" (véase, por ejemplo, la idea de Dedekind-infinito). Tenga en cuenta que yo en realidad no definir "infinito" en cualquier lugar, pero podemos tomar esto para decir lo que queramos, siempre que se aplique al conjunto afirmó que existe el axioma de infinitud. Una definición estándar es que un conjunto $S$ es infinito si tiene un surjection a los números naturales, que en este caso es atestiguado por la función identidad. Podemos demostrar que si hay cualquier duda sobre el nombre para el axioma.

Además, $\text{ZF}$ no es la única manera de hablar de infinito y de los números naturales, podemos hacerlo en la llanura-edad aritmética de Peano. Los números naturales son nuestra intención de dominio de discurso, y si una proposición $P(x)$ es cierto para un número infinito de números de $x$, podemos escribir $\forall_n \exists_x (x \geq n \tierra P(x))$, or since $\geq$ is not in the language of $\text{PA}$, $\forall_n \exists_x \exists_y (x = n + y \de la tierra P(x))$. Taking $P(x) =\cima$, we can interpret the sentence $\forall_n \exists_x \exists_y (x = n + y)$ to mean there are infinitely many natural numbers, and this can be proved by existential instantiation from the sentence $\forall_n (n + 0 = n + 0)$, una tautología de la lógica de primer orden con igualdad. Cerca de su argumento formal, pero es tautologous, apoyándose no en cualquier axiomas de la aritmética de Peano, sino en la interpretación que asignar los símbolos.

4voto

Thomas Puntos 901

El problema de su definición es que, a fin de considerar la operación $+1$ usted debe tener antes de que se define un conjunto en el que es definido (el mapa $+1: S\to S$....) No hay construcción de un conjunto puede ser, y generalmente la gente acepta esto como un axioma. Entonces tienen curioso nombre para la axiomática de ZF es la opción más común, pero también puede tomar Peano.

Un ejemplo famoso de la "Goodstein secuencia" (http://mathworld.wolfram.com/GoodsteinSequence.html) es un ejemplo concreto de la secuencia de números naturales que converge a $0$ para la ZF teoría, pero no puede demostrarlo en el Peano axiomático. Este ejemplo demuestra que la definición de $\bf N$ realmente depende de la axiomática que usted prefiera.

No hay ninguna "prueba" de que un conjunto infinito existe, esto es un axioma.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X