Teoria dos conjuntos/O conjunto dos números naturais

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O objetivo deste capítulo é mostrar que o conjunto dos números naturais existe, é único, e provar algumas de suas propriedades básicas.

Um capítulo anterior ([[../Explorando os axiomas da extensão, separação, par e união/]]) definiu o que um conjunto deve satisfazer para ser chamado de um número natural.

O [[../Axioma do infinito/]] diz que existe um conjunto que inclui o conjunto vazio e, para cada elemento seu, inclui o seu sucessor (definido no capítulo [[../Axioma da união/]]). Assim, para cada conjunto que o axioma do infinito provém, podemos definir, pelo [[../Axioma da extensão/]], um conjunto dos números naturais - o que prova a existência.

Nosso primeiro objetivo é mostrar que todo número natural é elemento de qualquer conjunto dos números naturais; com isto mostramos que este conjunto é único.

Unicidade

Devemos provar o seguinte:

Seja A um conjunto que satisfaz ao [[../Axioma do infinito/]]. Então todo número natural n é um elemento de A.

Como vimos antes, n é um número natural quando:

  1. n é o conjunto vazio ou n é um sucessor de algum seu elemento
  2. todo elemento de n é o conjunto vazio ou um sucessor de algum seu elemento

Nos capítulos anteriores, mostramos vários teoremas a respeito dos números naturais. Em particular, no capítulo sobre o [[../Axioma da regularidade/]], mostramos que para todo número natural n e todo subconjunto K de n satisfazendo:

  1. nK
  2. xK s(x)ns(x)K

temos que K = n.

É óbvio como provaremos que todo número natural n é elemento de A: basta formar o subconjunto K=nAn e mostrar que K=nA=n.

É imediato que:

  1. Como A, temos que nnA=K
  2. Como xAs(x)A e KA, temos que xK s(x)ns(x)nA=K

O que completa a prova.

Assim, sendo A e B dois conjuntos que satisfazem ao [[../Axioma do infinito/]], pelo [[../Axioma da separação/]], podemos definir:

  • A={xA|x eh um numero natural }
  • B={xB|x eh um numero natural }

é imediato que A=B, ou seja, temos que o conjunto dos números naturais existe e é único, o que justifica a definição:

={x|x eh um numero natural }

Princípio da indução finita

A unicidade de permite imediatamente demonstrar vários fatos.

Por exemplo, seja K um subconjunto de satisfazendo:

  • K
  • nKs(n)K

Então, obviamente, K é um conjunto que satisfaz ao [[../Axioma do infinito/]], então K, completando a prova.

Esta propriedade costuma ser apresentada como um esquema de teoremas: seja P(x) uma propriedade escrita na linguagem formal da teoria dos conjuntos.

Então se:

  • P()
  • P(n)P(s(n))

então

  • n,(P(n))

A demonstração parte da construção do conjunto K={n|P(n)}, e aplicando-se o resultado anterior para provar que K=.

Todo número natural é um número ordinal

A indução finita torna muito simples várias propriedades dos números naturais.

Por exemplo, podemos provar que todo número natural é um número ordinal (ver a definição de ordinal segundo von Neumann em [[../Explorando os axiomas da extensão, separação, par e união/]]). Isto porque é um número ordinal, e o sucessor de todo número ordinal também é um número ordinal (ver prova em [[../Axioma da potência/]]) - logo, por indução, todo número natural é um número ordinal.

Axiomas de Peano

Predefinição:Principal O estudo de várias estruturas algébricas complexas parte, quase sempre, do estudo da estrutura mais elementar, que é o conjunto dos números naturais com sua relação de ordem e as operações binárias de soma e produto de números naturais.

Veremos aqui como é possível construir esta estrutura algébrica de forma axiomática.

Uma forma é partir do conjunto e definí-las.

Mas uma forma mais elegante é partir dos Predefinição:W.

Predefinição:W, em 1889, propôs nove axiomas que servem como fundamentos da aritmética - na verdade, estes axiomas são tão completos, que servem como fundamentos para quase toda a matemática. Destes axiomas, os quatro primeiros são sobre lógica, e os cinco últimos supõem a existência de um conjunto N satisfazendo:

  1. 0N
  2. s:NN
  3. nN,(s(n)=0)
  4. n,m,(s(n)=s(m)n=m)
  5. KN,(0K(nKs(n)K)K=N)

Em palavras:

  1. N possui um elemento, que chamaremos de 0
  2. Todo elemento de N possui um sucessor em N; chamamos de s(n) ao sucessor de n
  3. Não existe um número cujo sucessor seja o 0
  4. Se os sucessores de dois números são iguais, então eles são iguais (equivalente: Se dois elementos de N são diferentes, então seus sucessores são diferentes)
  5. Se um subconjunto de N tem 0 como elemento, e este conjunto tem o sucessor de cada um dos seus elementos, então este conjunto é igual a N (princípio da indução)

Mostremos agora que N=, 0= e s(x)=x{x} é um modelo dos axiomas de Peano.

  1. - por construção
  2. s: - por construção
  3. n,(s(n)=) - verdadeiro, pois s(n) é um conjunto que possui (pelo menos) um elemento - n - logo s(n)
  4. n,m,(s(n)=s(m)n=m) - deixaremos esta prova para o final
  5. o princípio da indução foi demonstrado acima

Então falta mostrar que se dois números tem o mesmo sucessor então eles são iguais. Mas isto segue do axioma da separação, porque se s(n) = s(m) temos que nm{m} e mn{n} e, dos quatro casos seguintes, apenas um deles não viola o axioma da separação:

  1. nmmn
  2. nmm=n
  3. n=mmn
  4. n=mm=n

que é o caso n = m.

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