Autor Tema: Acerca de cierta caracterización de los números complejos

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15 Febrero, 2024, 03:40 am
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Jesús Gautier

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Buscando cómo introducir los números complejos "sin apelar" a los números reales (por curiosidad, ya que por supuesto no es necesario, dada la facilidad de la construcción por pares ordenados) encontré el artículo Axioms for Complex Numbers por D. H. Potts, en The American Mathematical Monthly, Vol. 70, No. 9 (Nov., 1963), pp. 974-975. https://doi.org/10.2307/2313057
Spoiler
Allí se caracteriza un sistema \( (K,+,\cdot{},\bar{}) \) tal que:
  • \( (K,+,\cdot{}) \) es un campo y \( \bar{} \) es un endomorfismo involutivo de \( K \) compatible con las operaciones.
  • Además tal endomorfismo cumple que para todos los \( z, w \) en \( K \) no nulos, existe \( \eta \), no nulo también, tal que \( z\bar{z}+w\bar{w}=\eta\bar{\eta} \)
  • Si \( z=\bar{z} \), existe \( w \) con \( z^2=(w\bar{w})^{2} \)
  • Definiendo \( R=\left\{x \, : \, x=\bar{x}\right\} \) y  \( R^{+}=\left\{x \, : \, \exists{y}\,(y\not=0) \wedge  (x=y\bar{y})\right\} \) se estipula una propiedad equivalente a la completitud topologica de \( \mathbb{R} \) para \( R \) pero sin apelar al orden debida a Veblen, subconjuntos que además permiten definir una relación de orden total en \( R \).
  • Finalmente, se exige que \( K=\left\{x^{2} \, : \, x\in{K}\right\} \)
El resto del artículo procede a probar que \( R \) así definido es un subcampo de \( K \), que en efecto se puede definir la relación de orden y que es posible la descomposición de todo elemento de \( K \) en una suma de "parte real" y el producto de \( \mathrm{i} \) (definición usual pero en \( K \)) con la "parte imaginaria". Entiendo que la segunda y tercera caracteristicas "esconden" una apelación a los números reales, y que sin la quinta caracteristica se obtiene esencialmente un campo como \( \mathbb{R} \). ¿Estoy en lo correcto al afirmar esta última exigencia equivale a que todos los \( z \) en \( K \) tienen raíz cuadrada? ¿No se puede debilitar esta última caracteristica para solo garantizar la unidad imaginaria, sin afectar la suficiencia de la caracterización? ¿Qué les parece esta caracterización? ¿Tendrá algún reparo?

15 Febrero, 2024, 03:58 am
Respuesta #1

Masacroso

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¡Vaya! Ayer justamente pensaba en esto, ¿como se definiría, axiomáticamente, a los números complejos sin tener que recurrir a los reales? Gracias, le voy a echar un buen vistazo.

15 Febrero, 2024, 11:36 am
Respuesta #2

geómetracat

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Gracias por el paper, es una caracterización curiosa que no conocía. Además el paper es muy cortito y se entiende muy bien.
Definiendo \( R=\left\{x \, : \, x=\bar{x}\right\} \) y  \( R^{+}=\left\{x \, : \, \exists{y}\,(y\not=0) \wedge  (x=y\bar{y})\right\} \) se estipula una propiedad equivalente a la completitud topologica de \( \mathbb{R} \) para \( R \) pero sin apelar al orden debida a Veblen, subconjuntos que además permiten definir una relación de orden total en \( R \).
Bueno, no apela directamente al orden, pero sí implícitamente. Al final viene a ser equivalente a usar el truco de definir un real positivo como un cuadrado distinto de cero y definir \( x<y \) como \( x-y>0 \). Y la caracterización de la completitud ahora no es más que decir que dados dos subconjuntos \( A,B \subseteq R \) con \( a>b \) para todo \( a\in A, b\in B \) existe un \( c\in \Bbb R \) con \( a\geq c \geq b \) para todo \( a\in A, b \in B \).

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Entiendo que la segunda y tercera caracteristicas "esconden" una apelación a los números reales, y que sin la quinta caracteristica se obtiene esencialmente un campo como \( \mathbb{R} \).
Sí en el sentido de que \( x \bar{x} \) es un "real" y \( x=\bar{x} \) implica que \( x \) es un "real". Pero para tener un su cuerpo isomorfo a los reales es crucial la condición de completitud, claro. Sin la condición de completitud podrías tener otros cuerpos que cumplieran los axiomas (como por ejemplo, el cuerpo de números algebraicos).

Si no impones que todo elemento sea un cuadrado la caracterización deja de ser única, y los axiomas los cumple tanto \( \Bbb R \) como \( \Bbb C \).
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¿Estoy en lo correcto al afirmar esta última exigencia equivale a que todos los \( z \) en \( K \) tienen raíz cuadrada?
Sí.
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¿No se puede debilitar esta última caracteristica para solo garantizar la unidad imaginaria, sin afectar la suficiencia de la caracterización?
Yo diría que sí.
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¿Qué les parece esta caracterización? ¿Tendrá algún reparo?
Pues es una caracterización curiosa y no creo que tenga ningún reparo en especial. Otra cosa es que la caracterización sea muy útil disponiendo ya de la construcción usual de \( \Bbb R \) o \( \Bbb C \). Probablemente no sea muy útil, si no sería más conocida.
La ecuación más bonita de las matemáticas: \( d^2=0 \)

15 Febrero, 2024, 01:33 pm
Respuesta #3

Luis Fuentes

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Hola

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¿No se puede debilitar esta última caracteristica para solo garantizar la unidad imaginaria, sin afectar la suficiencia de la caracterización?
Yo diría que sí.

 De hecho en el artículo que citas, si no me equivoco, solo usa la última característica (véase Teorema 3), para asegurar que existe un elemento \( i \) cumpliendo que \( i^2=-1 \), así que en principio parece que bastaría exigir esa condición:

5. Existe \( i\in K \) tal que \( i^2=-1 \).

Saludos.

18 Febrero, 2024, 04:37 am
Respuesta #4

Jesús Gautier

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Me surge una duda, también pura curiosidad. Si se debilita la condición 1. diciendo que \( K \) es un anillo en vez de un campo, ¿Se podría sacar de 2. y 3. alguna conclusión sobre los divisores de cero?