从1到有理数

数学有趣的一点在于,有些概念总是在应用之后再定义。 ——沃兹基硕德

今天,我们将要再这里,定义数学中最基础的概念,数字!

正整数集合

一切的一切,都从开始:

后继运算

接下来,我们定义一个运算符:后继运算符。顾名思义,就是指后面的那个数。下文将 的后继数记作 。(鉴于这是篇关于数学的文章,就不用 之类的表达方式了)。

这个运算有一下几条性质:

  1. 不是任何数的后继数。

  2. 任何不是 的数都是一个数的后继数。

  3. 如果两数后继数相等,则这两个数相等。 这样,我们就可以定义 。

  4. 如果 ,那么 。

之后,我们给予 的后继数一个符号 , 的后继数一个符号 ,依次类推,就有了我们现在所说的正整数。这实际上就是我们常说的皮亚诺算数公理。

数学归纳法

在 中,数学归纳法是成立的。数学归纳法是指对于任何一个命题 ,如果可以证明 成立,并且可以证明 ,就可以证明 对全体 成立。即 乍一看,数学归纳法似乎很符合直觉,这样似乎总是正确的,因为 可以推出 成立, 又可以推出 成立……这样一直进行下去,总有一步可以推出 成立(显然 是有限的,因此论证总可以在有限步之内完成)。然而,数学归纳法也可以推导出了哥德尔不完备定理,从而证明包含皮亚诺算数公理体系的数学不具有完备性。

其它运算符

接下来,就是定义其他运算:

  1. 加法 上的加法运算有两条法则:
    1. 。 这样定义加法是可以保证最终可以运算出结果的,因为可以用第二条法则不断减少 直到 ,此时再用第一条法则就可以算出结果
  2. 乘法 上的乘法运算同样有两条法则:
    1. 和加法类似,这样定义乘法可以保证任意两个 中的数相乘都可以算出结果。

以及证明各种运算律:

  1. (加法交换律) 首先,我们先证明 。 当 时, 所以当 时有 。 假设当 时 ,那么当 时 所以也有 。再由数学归纳法可知 接下来开始证明加法交换律。

    先证明 (即当 时的情况),仍然利用数学归纳法证明。

    当 时,。 当 时有 ,则当 时有再由数学归纳法可知原命题成立。 接下来假设 时有 ,则当 时 在用数学归纳法可以得知加法交换律成立。

  2. (乘法交换律) 和加法交换律类似,先用数学归纳法证明 ,再用一次数学归纳法证 。 当 时,。 当 时有 ,则当 时有再由数学归纳法可知原命题成立。

    接下来证明 。 当 时有 。 当 时 ,那么当 时 证明完毕。

    接下来假设 时有 ,则当 时在用数学归纳法可以得知乘法交换律成立。

  3. (乘法分配律) 证明:当 时,有 当 时,,当 时 用数学归纳法得知原命题成立。

  4. (加法结合律) 这次不用用数学归纳法了,太好了。 当 时,当 时,设 , 所以原命题成立。

  5. (乘法结合律) 当 时,当 时,依然设 ,所以原命题成立。

序关系

我们定义 上的一个序关系,记作 。我们定义 当且仅当存在 ,使 。

性质
  1. ( 是严格序) 因为对于任意 ,,所以 ,因此 。假设 ,那么 ,所以 。
  2. 证明:假设 ,那么 ,。
  3. (最小数原理)在 的非空子集中,必有最小元。

自然数集合

在 的基础上增加一个元素 ,令 。我们为零专门加一些补丁来保证 上的加乘运算是可以进行的。容易证明,正整数集合上的各种运算律,最小数原理在 上仍然成立。

和

那么,究竟什么是 , 呢?有个非常有趣的说法,叫做万物都是有结构的空。我们可以这样定义 。接着这么定义 举个例子,,所以,由于两个元素重复了,所以 。之后就是 ,那么 。看,万物果然是有结构的空。

整数集合

由于在 上的一些加法方程无解,而且不能任意做差。因此,我们引入一个新的集合,整数集合 。

先定义 。也就是说, 中的每个元素都是由一个正整数和一个自然数组成的数对。我们将这样一个元素记作 。接下来定义等价运算 。我们说 当且仅当 。

(传递性)如果 ,那么 。从前两个条件可以看出,,两式相加得 ,消去 得 ,原命题得证。我们将所有重复的元素从 中减去得到 。

接下来定义 上的各种运算。

  1. 加法:。
  2. 乘法:
  3. 相反数:

之后,我们需要证明这些运算的结果和代表元无关。就是换一个和其中一个元素等价的数,结果是否和原来一样。以加法为例。假设 ,那么此时所以 。

接下来是乘法: 此时所以是等价的。

还有相反数: 显然 ,结果等价。

上的各种运算律都是直接运算再用 上的运算量就可以证明了,这里不过多赘述。

还有一个有趣的性质, 是交换群。这意味着

  1. 加法交换律和加法结合律成立

这些刚刚都证明过了。此时,我们称 为单位元或恒等元。

同时, 是一个整环。这意味着

  1. 乘法交换律,结合律,分配律成立。
  2. 没有零因子:,

此时称 为乘法单位元。

此外, 还是一个欧式环,因为 中有除法原理。

有理数

和整数类似,我们仍先定义 (),将其中的一个元素记为 ,我们给这个元素一个符号 。接着定义 中的等价关系: 当且仅当 。

类似的,将 嵌入 :。

定义加法,乘法:

  1. ,此时称 为 的倒数,记作 ,假设 ,那么 。

各种性质,运算律的证明和 上的大差不差,因此这里不过多赘述。这也说明了, 是环.

此外 为域,这意味着

  1. 为交换环。
  2. 中的每个元素都有倒数。

至此,我们终于定义完成了从正整数到有理数,以后终于可以不再顾忌的使用这些数字(和运算律)了。


从1到有理数
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发布于
2024年3月16日
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