Autor Tema: C. Sists. Numéricos. --- Sección 0: Introducción

0 Usuarios y 1 Visitante están viendo este tema.

21 Julio, 2010, 04:47 am
Leído 4886 veces

argentinator

  • Consultar la FIRMAPEDIA
  • Administrador
  • Mensajes: 7,796
  • País: ar
  • Karma: +0/-0
  • Sexo: Masculino
Principal * N Z Q R C +


Nota: Este thread forma parte del tema





Construcción de los Sistemas Numéricos.

Sección 0. Introducción.




  • Subsección 0.1.
    Algunos comentarios sobre el material que será expuesto
    y la bibliografía externa a usar... si la hay.

  • Bibliografía externa: No se incluye nada. Estos temas son tan corrientes que ya no tiene sentido tener en cuenta derechos de autor.

  • Requisitos previos: En principio no hay requisitos para el lector que desee acceder a este material.
    Se recomienda una cierta experiencia previa con Teoría de Conjuntos y con demostraciones de algunos Teoremas matemáticos.
    Ocurre que los temas que vamos a desarrollar tienen interés teórico,
    y no podemos perder demasiado tiempo en cuestiones "pedagógicas".

    Pero aún así todo detalle oscuro se puede preguntar a fin de aclarar la exposición.

  • Teoría incluida: Se exhibe el material mínimo necesario para poder abordar el tema de la construcción de los sistemas numéricos,
    acorde a los objetivos que se detallan en el siguiente post.

    Por lo tanto, hay muchos Teoremas y propiedades aritméticas que se excluyen.

    Las demostraciones procurarán usar sólo las definiciones y resulados desarrollados
    a lo largo de este tema, y nada más. Esto puede dar demostraciones más largas de lo corriente.
    A lo sumo, se acudirá a la buena voluntad del lector para completar detalles.

  • Notación: En vez de usar los símbolos típicos \( \mathbb{N,Z,Q,R,C} \),
    utilizaremos letras latinas corrientes: \( N,Z,Q,R,C \).
    Esto se debe a que no hay un solo "conjunto" que identifique a cada sistema numérico.
    Hablaremos, pues, de "un" \( N \), "un" \( Z \), etc., y de "el" \( \mathbb{N,Z,} \) etc.


Disgresiones sobre estos puntos, en los spoilers que siguen.

Bibliografía (o no), material incluido, requisitos previos para el lector, temas autocontenidos

Los resultados y propiedades que voy a poner en los posts que siguen no son nuevas.

Se trata de hechos conocidos y ya demostrados de mil maneras distintas desde hace varias décadas o quizá algunos siglos.
Así que no importa si me baso o no en otros libros,
porque si ocurriese que no sé de dónde sacar tal o cual demostración,
o de dónde extraer tal o cual conclusión,
aún así tengo la certeza de que si me pongo a hacer las cuentas,
voy a llegar a los resultados esperados.

O sea, uno puede andar con confianza en este terreno, aún sin textos de base,
porque se trata de hechos conocidos y bien demostrados,
que uno puede reconstruir con apenas un poco de esfuerzo.

Mi intención es que todo lo que voy a decir en los posts siguientes esté autocontenido.
O sea que cualquiera que lea las demostraciones no necesitará de conocimientos adicionales previos, salvo, claro,
los propios de la lógica y lo básico del lenguaje de la teoría de conjuntos.

Pero el resto de hechos y definiciones las dará en forma explícita,
y con todo el detalle que me parezca conveniente.
Si omito algún detalle en la demostración, se tratará de hechos fáciles y rutinarios,
cuya presencia explícita traería más fastidio que su omisión,
por el tedio de las cuentas monótonas que conllevan.

Como se trata de resultados clásicos y pruebas conocidas,
todo lo que desarrollaré está escrito en algún libro o en alguna página de internet,
y hay multitud de fuentes posibles.
No me parece que esas fuentes sean importantes,
porque el hecho de que le copie a una u otra depende sólo de la casualidad que me llevó a encontrar un texto antes que otro.
Siendo así, la mayoría de las cosas que he copiado las he encontrado desperdigadas en extrañas páginas de internet,
documentos PDF de quién sabe qué libros electrónicos, o lo que sea.

Más de uno criticará este proceder, porque parece poco serio de mi parte tomar cualquier material al azar, sacado de cualquier fuente no verificada...
Pero la realidad es otra.
Yo he estudiado ya todos estos temas hace varios años,
y entonces me doy cuenta si una demostración o definición está bien hecha o no.
En ese caso, me sirvo de esas fuentes externas sólo para ahorrar tiempo en los pasos claves de las demostraciones.
No obstante, los detalles de las pruebas no los he copiado tal cual,
sino que los he reformulado con un estilo personal,
sujeto al requisito de presentar un material autocontenido, claro, y sólido.

Es por esas razones que no voy a nombrar demasiadas fuentes externas, porque no viene al caso.

Así que se podría decir que he producido un texto básicamente nuevo,
aunque es producto de mi experiencia en estos temas.
A menudo, la mayoría de las largas demostraciones que aparecen las he hecho todas a mano, sin consultar otras fuentes.
Y no porque me las sepa de memoria, sino porque ponerme a demostrarlas por mi propia cuenta
me llevaría menos tiempo que buscar una demostración ya hecha por otra persona en algún libro o sitio web.
Además me aseguro de que no queden huecos en los detalles,
y que ciertas propiedades que me parecen interesantes queden puestas en evidencia.



[cerrar]

Objetivos principales, cuáles detalles se incluyen y cuáles no, y por qué

En cuestiones de números hay muchas propiedades aritméticas y algebraicas que se pueden discutir,
pero que simplemente he dejado de lado,
y a veces ni siquiera las he nombrado o sugerido.
Esto se debe a que el objetivo principal al que deseo arribar es
el de mostrar cómo se construyen los sistemas numéricos.
Ese es el nucleo de lo que sigue,
y para ese fin hay muchos hechos que no es necesario poner en evidencia,
porque no ayudan a construir ni demostrar nada.
Así que no voy a hacer un tratado sobre todas las propiedades de los números,
sino exhibir sólo las propiedades mínimas que caracterizan a cada sistema numérico,
y además aquellas mínimas propiedades que son útiles para demostrar ciertos hechos teóricos fundamentales.

Por ejemplo, en la teoría de números enteros, las propiedades de divisibilidad son todo un Universo de hechos importantísimos, como el Teorema Fundamental que nos dice que todo número entero puede descomponerse en producto de primos.
Pero sucede que cuando desarrolle la teoría de números enteros, no voy a decir nada de estos hechos,
ya que muy poco o nada dicen en la teoría de construcción sucesiva de los sistemas numéricos.

No es que no tenga ganas de escribir sobre esos temas omitidos,
pero es que la cosa se haría demasiado extensa y engorrosa,
y quiero arribar cuanto antes sea posible al objetivo de
construir todos los sistemas numéricos
y mostrar sus propiedades fundamentales, en cuanto a sistemas matemáticos se refiere,
y no tanto a los detalles aritméticos de cada uno de ellos,
que son parte de discusiones más específicas,
y que pueden seguirse en otro lugar o momento.

Aún en este deseo de arribar al objetivo por el camino más corto posible
me he encontrado con la necesidad de hacer extensísimos desarrollos.
Mucho más extenso sería todo si entrase en detalles extra...

Como consecuencia, muchas demostraciones tendrán un aspecto algo rudimentario.
Alguna mente ya familiarizada con propiedades conocidas de los números podrá exasperarse ante el estilo engorroso de algunas deducciones.
Por ejemplo, en algún momento me pondré a demostrar cosas como que \( 1 > 0 \).
Y nunca parecerá que estoy del todo convencido...
cuando todo el mundo diría que eso es siempre cierto, y que se lo puede usar, y listo.  :banghead:

Les voy a pedir paciencia con ese tipo de cosas,
porque para que las demostraciones sean más sintéticas,
tendría que probar una gran ristra de proposicoines aritméticas accesorias,
que lo único que conseguirían sería distraernos largamente del camino principal que hemos de recorrer.

[cerrar]

21 Julio, 2010, 04:50 am
Respuesta #1

argentinator

  • Consultar la FIRMAPEDIA
  • Administrador
  • Mensajes: 7,796
  • País: ar
  • Karma: +0/-0
  • Sexo: Masculino
Principal * N Z Q R C +


En este post doy un largo y tedioso discurso que justifica
por qué voy a escribir ciertas cosas, y no otras,
y también el punto de vista y lugar que asigno a cada elemento de la teoría:
axiomas, construcciones, teoremas de unicidad, y teoremas de inmersión.




  • Subsección 0.2.
    Enfoque general de la teoría de sistemas numéricos.



Los sistemas numéricos estándar son los archiconocidos \( N, Z, Q, R, C \),
o sea, naturales, enteros, racionales, reales, y complejos, respectivamente.

Hay muchas maneras de "construir" los sistemas numéricos.
Los textos que he visto por ahí toman diversos caminos,
no avisan bien por qué lo hacen,
y avanzan alegremente por la vida creyendo entender de lo que están hablando.

Algunos introducen a los sistemas numéricos mediante una lista de axiomas.

Otros lo hacen "construyendo" objetos matemáticos que cumplen todas las propiedades usuales de cada sistema.


Lo que opino es que ambas maneras de hacer las cosas están equivocadas,
porque abordan el tema de un modo superficial.

Disgresión: Construcción frente a Axiomas



Pongamos el ejemplo de \( Q \), el sistema de los números racionales.
Hay autores que realizan una "construcción" de \( Q \)
mediante clases de equivalencia en un conjunto de pares ordenados de números enteros,
aduciendo que esos pares son la expresión formal de las fracciones.
Habrá otros autores que introducen \( Q \) mediante axiomas.

Lo que opino es que la gente
puede perfectamente inventar una infinidad de "construcciones"
diferentes que tengan todas las mismas propiedades esperadas de los números racionales.
O sea, se puede llegar, por construcción, a diversas versiones distintas de \( Q \).
Todos esos inventores dirán que "su" construcción es correcta, y lo más gracioso es que todos tendrán la razón.

Sin embargo, los pares ordenados de enteros son objetos que tienen propiedades particulares
por su mera forma como "elementos de un cierto conjunto".
Las distintas construcciones de \( Q \) usarán objetos muy distintos,
con propiedades intrínsecas diferentes.
La única razón por la que cualquiera de esos \( Q \) construidos pueda usarse en lugar de cualquier otro,
sin problemas,
tiene que ver conque todos ellos tienen las "mismas" propiedades aritméticas.

Vale decir, las diferentes versiones de \( Q \) tienen
una lista de propiedades comunes a todos ellos,
y que son las propiedades usuales que aceptamos para los números racionales.
Cuando necesitamos usar los números racionales para hacer aritmética,
los andamios utilizados en su construcción
no tienen que hacer diferencia alguna en los resultados obtenidos.

Esto quiere decir que los números racionales son, en realidad, un concepto abstracto,
y las diversas construcciones de \( Q \) inventadas por distintos autores
están hechas a propósito para que satisfagan esas propiedades.

Esto nos lleva a la conclusión de que
hay una lista de propiedades comunes que toda versión de \( Q \) debe satisfacer.
Esa lista es lo que llamamos: axiomas de los números racionales.

Esos axiomas son, por un lado, el conjunto mínimo de propiedades
que nos interesa que todo \( Q \) cumpla,
y por otro lado es también el máximo de propiedades permitidas a un \( Q \) cualquiera.
Toda otra propiedad que no se deduzca de esos axiomas
se podría decir que es intrínseca a la versión de \( Q \) utilizada,
y no sería, en tal caso, una propiedad aritmética.

Por lo tanto, es necesario establecer un sistema axiomático para los números racionales,
para que todos podamos ponernos de acuerdo en cuáles son esas propiedades
que todos consideramos propias de los números racionales, y no otras.

Puede ser que haya gente que enseñe que una de las tantas maneras de construir los números racionales sea el "método" axiomático.

Mi opinión es que eso es un error de concepto, o de pedagogía.
Dar un sistema axiomático para los números racionales no sirve para "construirlos".

Por ejemplo, consideremos los axiomas de la teoría de grupos.
Pongamos por ejemplo un axioma adicional que diga:

* "\( G \) es un grupo con algún subgrupo cuyo orden no divide al orden de \( G \)".

¿Acaso eso me permite decir que "he construido" un grupo
con esa propiedad de subgrupos con orden no divisor...?  :o
Eso ciertamente no es posible, porque se sabe
que todo subgrupo de \( G \) tiene obligatoriamente un orden que divide al de \( G \):banghead:



[cerrar]

La disgresión previa nos lleva a afirmar lo siguiente:

Una lista de axiomas
no es algo que permita "construir" de la nada
un objeto matemático.

Una lista de axiomas es sólo una lista de propiedades,
y para tener consistencia
necesitan que haya algún modelo, o ejemplo,
en el cual esas propiedades se cumplan
.


(Comentario íntimo)

Sobre la "consistencia" de un Sistema Axiomático,
se puede profundizar más en la Teoría de Gôdel,
pero nosotros no lo haremos aquí.



[cerrar]



Hasta que no se exhiba tal ejemplo,
el sistema axiomático podría referirse a una teoría vacía,
una lista de propiedades que quizá ningún objeto matemático cumple.



Disgresión: Construcción frente a Axiomas (continuación)



Por ejemplo, la "construcción" de \( Q \)
a partir de pares ordenados de enteros
sería un "modelo" para el sistema axiomático de los números racionales.
Como ya dije, pueden haber multitud de "construcciones" distintas,
pero ahora se vence toda posible ambigüedad de "definición"
porque de todas esas construcciones lo único que nos interesa es que
cumplen las propiedades listadas en los axiomas de números racionales.

Estos considerandos valen para los demás sistemas numéricos.



[cerrar]

Luego considero que
  • es necesario establecer un sistema axiomático
    que defina con precisión y sin ambigüedad
    cuáles son todas las propiedades que ha de cumplir
    tal o cual sistema numérico.


  • Pero también considero que eso
    no es suficiente,
    y por lo tanto es necesario exhibir un ejemplo
    que cumpla todas las propiedades dadas en los axiomas.




Y es ahí donde aprovechamos las "construcciones"
que los varios autores han hecho de cada sistema numérico.

Así, el modo correcto de presentar
la teoría de los sistemas numéricos requiere que se exhiban ambas cosas:

* el sistema axiomático de cada sistema numérico,
* y una versión "constructiva" de dicho sistema.

Ambas deben venir juntas en un solo paquete,
ya que por separado no están completas.

Pero aún partiendo de un sistema axiomático concreto podría producirse ambigûedad,
esta vez de índole puramente matemática.
En concreto: podría haber un par de modelos distintos del sistema,
que no tengan relación "armoniosa" entre sí.



Disgresión: Invarianza de los modelos aritméticos



Para ver dónde estamos parados,
sigamos un poco más con \( Q \) (lo mismo vale para cualquier otro sistema de números).
Podría ocurrir que haya dos modelos distintos de \( Q \),
digamos \( Q_1 \) y \( Q_2 \),
que cumplan todos los axiomas de números racionales,
y que sin embargo entre ellos no sean equivalentes.
O sea, \( Q_1 \) no sería "isomorfo" a \( Q_2 \).
Si esto fuera posible, habría una enorme ambigüedad en el concepto de números racionales.

Pongamos un ejemplo de la teoría de grupos: el grupo de restos módulo 3 tiene 3 elementos, y el grupo de rotaciones que dejan invariante la circunferencia tiene infinitos elementos. Obviamente no hay modo de que sean grupos "equivalentes",
se trata de grupos totalmente distintos.
Y eso ocurre aún a pesar de que ambos satisfacen
los mismos axiomas de la teoría de grupos.

Pero respecto a los números racionales tenemos más suerte, porque
todos los modelos que cumplan los axiomas correspondientes serán "equivalentes" entre sí.
O sea, los conecta un isomorfismo,
y por lo tanto puede usarse cualquier modelo \( Q \) de números racionales en lugar de otro, sin lugar a confusión.
Sin saber ni importar quiénes son \( Q_1 \) y \( Q_2 \),
se puede demostrar que ambos son equivalentes.

Esta propiedad de invarianza
la comparten todos los sistemas numéricos,
y nos está diciendo que los números son objetos matemáticamente consistentes, quiero decir,
que están plenamente caracterizados por una lista de axiomas
de forma completamente inambigua
.



[cerrar]


Esa invarianza se puede demostrar, y lo haremos, o sea, viene en forma de Teorema.

El significado de esta invarianza es que,
desde un punto de vista matemático hay, esencialmente,
un solo sistema numérico de cada tipo, \( N, Z, Q, R, C \),
o que cada sistema numérico es esencialmente único, salvo isomorfismos.

Por último hay que recordar el folklore de las inmersiones de unos sistemas en otros.

En forma escueta podríamos anotar algo como esto:

\( {\color{blue}N\subset Z\subset Q\subset R\subset C} \)

Pero como se trata de "sistemas" y no de "conjuntos",
esas inclusiones así escritas no me gustan,
no son del todo correctas sin las aclaraciones adecuadas.

Lo que sí puede decirse es que:

  • dentro de un sistema de números complejos \( C \) se tiene un subsistema canónico de números reales \( R \),
  • dentro de un sistema de números reales \( R \) se tiene un subsistema canónico de números racionales \( Q \),
  • dentro de un sistema de números racionales \( Q \) se tiene un subsistema canónico de números enteros \( Z \),
  • dentro de un sistema de números enteros \( Z \) se tiene un subsistema canónico de números naturales \( N \),



Sintetizando, el enfoque que voy a tomar en los desarrollos ulteriores
contendrá como mínimo estos cuatro ingredientes:


  • Dar la lista de axiomas de cada sistema numérico.
  • Dar al menos un modelo que satisfaga la lista de axiomas de cada sistema numérico.
  • Demostrar un Teorema que diga que todos los modelos posibles de un sistema numérico dado son isomorfos. Cada sistema es esencialmente único.
  • Demostrar un Teorema que especifique cómo cada sistema numérico se sumerge en el que le sigue.


21 Julio, 2010, 04:53 am
Respuesta #2

argentinator

  • Consultar la FIRMAPEDIA
  • Administrador
  • Mensajes: 7,796
  • País: ar
  • Karma: +0/-0
  • Sexo: Masculino
Principal * N Z Q R C +


Subsección 0.3.
Distinguir conjuntos de sistemas.


Una aclaración: ¿por qué digo todo el tiempo "sistemas de números" y no "conjuntos de números"?
Respuesta:

Porque un conjunto no tiene estructura asociada.
Por ejemplo, el conjunto \( A = \{\textsf{manzana}, \textsf{pera}, \textsf{piedra}\} \), es un conjunto sin estructura algebraica ni orden.
Pero si defino la operación \( * \) mediante:

\(
\begin{align*}
\textsf{manzana} * x &= \textsf{manzana}, \qquad\textsf{todo x en A},\\
x * \textsf{manzana} &= \textsf{manzana}, \qquad\textsf{todo x en A},\\
\textsf{pera} * \textsf{pera} &= \textsf{pera},\\
\textsf{pera} * \textsf{piedra} &= \textsf{pera},\\
\textsf{piedra} * \textsf{pera} &= \textsf{pera}.\\
\textsf{piedra} * \textsf{piedra} &= \textsf{piedra}\\
\end{align*}
 \)

Eso me define una operación \( * \) en el conjunto \( A \), que es conmutativa y asociativa (comprobarlo!!).

Ahora tengo un par \( (A, *) \), donde \( * \) es una operación en \( A \), conmutativa y asociativa.

Me pregunto si el conjunto \( A \) está ordenado.
La verdad es que no sé cómo ordenar una manzana, una pera y una piedra. ¿Con qué criterio?
El conjunto \( A \), como conjunto, no está ordenado. Porque un conjunto es una colección "desordenada" de elementos.

No puedo presuponer un orden en el conjunto \( A \).

Tengo que definirlo.

Por ejemplo, podría aprovecharme de la operación \( * \) y decir que \( a < b \) si \( a * b = b \).
en ese caso, tendría que \( \textsf{piedra} < \textsf{pera} \) y \( \textsf{pera} < \textsf{manzana} \).
Más aún, el orden \( < \) en \( A \) resulta ser total (todo par de elementos es comparable).

¿Puedo hablar tranquilamente de "el orden" del conjunto \( A \)?

¿Qué pasa si ordeno los elementos de \( A \) por orden alfabético?
Ese es otro orden posible, donde \( \textsf{manzana < pera < piedra} \).

Si alguien me dice "tomo dos elementos de \( A \) y los pongo en forma ordenada en una lista", se está expresando mal, porque no me está diciendo el orden que está usando.

Una vez que el orden se ha "elegido" y explicitado claramente, tenemos un sistema ordenado \( (A, <) \).

Si juntamos todo, operaciones y orden en \( A \), tenemos un sistema algebraico y ordenado \( (A,*,<) \).
Todo debe estar explicitado, porque dar por sentado que conocemos cosas sobre \( A \) resulta ambiguo.

Por ejemplo, parece que no hay ambigüedad en hablar de la \( \textsf{manzana} \) que está en \( A \).
Pero ¿qué pasa si hablo de "el minimo elemento del conjunto \( A \)"?
Eso es ambiguo, porque la noción de "mínimo" depende de la noción de orden en \( A \), y hay muchos órdenes posibles en \( A \).
Hay que elegir un orden antes de hablar de mínimo.
Por eso se habla del sistema \( (A,*,<) \), en donde el orden < está indicado, porque si no, no tiene sentido decir ciertas cosas.