Numere naturale (din lat. naturalis „natural”) - numere care apar în mod natural la numărare (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 și așa mai departe [1] ). Secvența tuturor numerelor naturale dispuse în ordine crescătoare se numește serie naturală [2] .
Mulțimea numerelor naturale este infinită, deoarece pentru orice număr natural există un număr natural mai mare decât . Numerele negative și non-întregi nu sunt clasificate ca numere naturale.
Proprietățile numerelor naturale și operațiile cu acestea sunt studiate prin aritmetică și (mai aprofundat) teoria numerelor .
Cel mai primitiv mod de a reprezenta un număr natural este de a pune o etichetă la numărarea fiecărui obiect. Ulterior, un set de obiecte poate fi verificat pentru egalitate, exces sau deficiență - prin ștergerea marcajului și eliminarea obiectului din set. Primul progres major în abstractizare a fost utilizarea numerelor pentru a desemna numere naturale. Acest lucru a permis dezvoltarea sistemelor de scriere a numerelor mari. Vechii egipteni au dezvoltat un sistem numeric extins cu hieroglife clare pentru 1, 10 și toate puterile de la 10 la peste 1 milion. Pe o sculptură în piatră de la Karnak , datând din aproximativ 1500 î.Hr. iar acum în Luvru , numărul 276 este reprezentat ca 2 sute, 7 zeci și 6 unități; și la fel și pentru numărul 4622 [3] .
O dezvoltare mult mai recentă a fost dezvoltarea ideii că zero ar putea fi gândit ca un număr cu propria sa cifră. Utilizarea numărului 0 în desemnarea unui loc (în alte numere) datează din anul 700 î.Hr. de către babilonieni, care au omis o astfel de cifră când era ultimul caracter din numărul [a] . Zero a fost folosit ca număr în calculul medieval (calcularea datei Paștelui) începând cu Dionysius Exiguus în 525 d.Hr., fără a fi reprezentat de un număr (numerele romane standard nu au simbol pentru 0). În schimb, lat a fost folosit pentru a desemna valoarea zero. nulla (sau genitiv lat. nullae care înseamnă „nu”) [5] . Utilizarea lui zero în vremurile moderne a apărut cu matematicianul indian Brahmagupta în 628 d.Hr.
Primul studiu sistematic al numerelor ca abstracții este de obicei atribuit filozofilor greci Pitagora și Arhimede . Unii matematicieni greci au tratat numărul 1 diferit de numerele mari și uneori deloc ca numărul [b] . Euclid, de exemplu, a definit mai întâi esența unei unități, iar apoi numărul ca un set de unități, astfel, prin definiția sa, o unitate nu este un număr și nu există numere unice (de exemplu, oricare două unități din un set nedefinit de unități sunt numărul 2) [7] .
În Europa secolului al XIX-lea, au existat discuții matematice și filozofice despre natura exactă a numerelor naturale. Henri Poincaré a fost unul dintre susținătorii unui astfel de concept, la fel ca și Leopold Kronecker , care și-a rezumat credința astfel: „ Dumnezeu a creat numerele întregi, orice altceva este opera omului ”. Un astfel de concept a fost definit ca naturalist [c] .
Spre deosebire de naturaliști , constructiviștii au văzut nevoia de a îmbunătăți baza logică în bazele matematicii. În anii 1860, Hermann Grassmann a propus o definiție recursivă a numerelor naturale, afirmând astfel că acestea nu sunt în întregime naturale, ci sunt o consecință a definițiilor. Mai mult, au fost construite două clase de astfel de definiții formale; s-au dovedit ulterior a fi echivalente în majoritatea aplicațiilor practice.
Definițiile teoretice de mulțimi ale numerelor naturale au fost inițiate de Frege. Inițial, el a definit un număr natural ca clasa tuturor mulțimilor care sunt în corespondență unu-la-unu cu o anumită mulțime. Cu toate acestea, această definiție a condus la paradoxuri, inclusiv paradoxul lui Russell . Pentru a evita astfel de paradoxuri, formalismul a fost modificat în așa fel încât un număr natural este definit ca o mulțime specifică, iar orice mulțime care poate fi pusă într-o corespondență unu-la-unu cu această mulțime se spune că are acest număr de elemente. [9] .
A doua clasă de definiții a fost introdusă de Charles Sanders Peirce , rafinată de Richard Dedekind și explorată de Giuseppe Peano - această abordare se numește acum axiomele lui Peano . Se bazează pe axiomatizarea proprietăților numerelor ordinale: fiecare număr natural are un succesor, iar fiecare număr natural diferit de zero are un predecesor unic. Aritmetica Peano este echivalentă cu mai multe sisteme slabe de teorie a mulțimilor. Un astfel de sistem este sistemul Zermelo-Fraenkel (ZFC), în care axioma infinitului este înlocuită cu negația sa. Printre teoremele care pot fi demonstrate în ZFC , dar care nu pot fi demonstrate folosind axiomele Peano se numără Teorema Paris-Harrington , Teorema Goodstein și altele [10] .
Pe această bază de definiții, este convenabil să includeți zero (corespunzător mulțimii goale) ca număr natural. Includerea lui zero este acum obișnuită între teoria mulțimilor [11] și construcțiile logice [12] .
Există două abordări ale definiției numerelor naturale:
În primul caz, seria numerelor naturale începe de la unu , în al doilea - de la zero . Nu există o opinie comună pentru majoritatea matematicienilor cu privire la preferința primei sau celei de a doua abordări (adică dacă să considerăm zero ca număr natural sau nu). În marea majoritate a surselor rusești, prima abordare este adoptată în mod tradițional [13] . A doua abordare, de exemplu, este luată în scrierile lui Nicolas Bourbaki , unde numerele naturale sunt definite ca cardinalități ale mulțimilor finite . Prezența zeroului facilitează formularea și demonstrarea multor teoreme în aritmetica numerelor naturale, astfel că prima abordare introduce conceptul util al unei serii naturale extinse incluzând zero [13] .
Setul tuturor numerelor naturale este de obicei notat cu simbolul . Standardele internaționale ISO 31-11 (1992) și ISO 80000-2 (2009) stabilesc următoarele denumiri [14] :
La fel ca și în ISO, notația pentru setul de numere naturale este fixată în GOST rus 2011: R 54521-2011, tabelul 6.1 [15] . Cu toate acestea, în sursele rusești acest standard nu este încă respectat - în ele, simbolul denotă numere naturale fără zero, iar seria naturală extinsă este notă etc. [13]
O mulțime va fi numită mulțime de numere naturale dacă un element 1 (unu), o funcție cu domeniul de definiție , numită funcție de succesiune ( ), este fixă și sunt îndeplinite următoarele condiții:
Axiomele de mai sus reflectă înțelegerea noastră intuitivă a seriei naturale și a dreptei numerice .
Faptul fundamental este că aceste axiome determină în mod esențial în mod unic numerele naturale (natura categorială a sistemului de axiome ale lui Peano). Și anume, se poate demonstra (vezi [16] , precum și o scurtă demonstrație [17] ) că dacă și sunt două modele pentru sistemul de axiome Peano, atunci ele sunt neapărat izomorfe , adică există o mapare inversabilă ( bijecție ). ) astfel încât şi pentru toţi .
Prin urmare, este suficient să fixați ca oricare model specific al mulțimii de numere naturale.
Uneori, mai ales în literatura străină și tradusă, prima și a treia axiomă a lui Peano înlocuiesc una cu zero. În acest caz, zero este considerat un număr natural. Când este definit în termeni de clase de mulțimi echivalente, zero este un număr natural prin definiție. Ar fi nefiresc să-l aruncăm în mod specific. În plus, acest lucru ar complica semnificativ construcția și aplicarea ulterioară a teoriei, deoarece în majoritatea construcțiilor zero, precum mulțimea goală, nu este ceva izolat. Un alt avantaj de a considera zero ca număr natural este că formează un monoid atunci când face acest lucru . După cum am menționat mai sus , în literatura rusă, zero este în mod tradițional exclus din numărul de numere naturale.
Conform teoriei mulţimilor , singurul obiect al construcţiei oricăror sisteme matematice este mulţimea .
Astfel, sunt introduse și numerele naturale, pe baza conceptului de mulțime, după două reguli:
Numerele date în acest fel se numesc ordinale .
Să descriem primele câteva numere ordinale și numerele lor naturale corespunzătoare:
Generalizarea numărului de elemente ale unei mulțimi finite la mulțimi infinite se caracterizează prin conceptul de „ putere a unei mulțimi ”. În ceea ce privește cardinalitatea, mulțimea numerelor naturale este mai mare decât orice mulțime finită, dar mai mică decât orice interval , de exemplu, . Mulțimea numerelor naturale este echivalentă cu mulțimea numerelor raționale . Orice mulțime care este echivalentă cu mulțimea numerelor naturale se numește mulțime numărabilă . Astfel, setul de termeni ai oricărei secvențe este numărabil. În același timp, există o succesiune în care fiecare număr natural apare de un număr infinit de ori, deoarece mulțimea numerelor naturale poate fi reprezentată ca o uniune numărabilă de mulțimi numărabile disjunse (de exemplu [18] , ).
Operațiile închise (operațiile care nu scot un rezultat din setul de numere naturale) pe numere naturale includ următoarele operații aritmetice:
În plus, sunt luate în considerare încă două operații (din punct de vedere formal, nu sunt operații pe numere naturale, deoarece nu sunt definite pentru toate perechile de numere (uneori există, alteori nu)):
De remarcat că operațiile de adunare și înmulțire sunt fundamentale. În special, inelul numerelor întregi este definit tocmai prin operațiile binare de adunare și înmulțire.
Adunarea transformă mulțimea numerelor naturale într-un semigrup cu unitate, rolul de unitate este jucat de 0 . Înmulțirea transformă, de asemenea, mulțimea numerelor naturale într-un semigrup cu unitate, 1 fiind elementul de identitate . Cu ajutorul închiderii sub operațiile de adunare-scădere și înmulțire-împărțire se obțin grupurile de numere întregi și, respectiv, de numere pozitive raționale .
Să folosim definiția numerelor naturale ca clase de echivalență de mulțimi finite. Dacă desemnăm clasa de echivalență a mulțimii A , generată prin bijecții, folosind paranteze drepte: [ A ], operațiile aritmetice de bază sunt definite astfel:
Unde:
Se poate arăta că operațiile rezultate pe clase sunt introduse corect, adică nu depind de alegerea elementelor de clasă și coincid cu definițiile inductive.
Dicționare și enciclopedii | ||||
---|---|---|---|---|
|
Sisteme numerice | |
---|---|
Seturi numărabile |
|
Numerele reale și extensiile lor |
|
Instrumente de extensie numerică | |
Alte sisteme numerice | |
Vezi si |
numere întregi | |||
---|---|---|---|
| |||
|