Álgebra Superior II: Conjuntos transitivos

Introducción

En las últimas cuatro entradas hemos visto al conjunto de números naturales como elementos del conjunto \mathbb{N}. Sin embargo, no debemos olvidar que, como casi todo lo que construimos en matemáticas, los números son también conjuntos. Y al ser conjuntos, cada uno de los naturales tiene unos ciertos elementos que los caracterizan de forma unívoca.

Pensando en esto, recordemos el ejercicio 5 de la Tarea moral de las notas sobre la Construcción de los naturales:

Problema. Muestra que si n\neq 0, entonces n=\{0,1,2,...,n-1\}.

En otras palabras, como conjunto, cada natural consiste exactamente de los números naturales anteriores. Antes de empezar a leer esta entrada, y si aún no lo has hecho, te invitamos a intentar este problema. Aunque comenzaremos la siguiente sección dando una prueba, es bueno que intentes familiarizarte por tu cuenta con lo que será necesario hacer pues dicho resultado será importante para la teoría que veremos en esta entrada.

Dos propiedades de los números naturales

Para empezar, y por la importancia de la aseveración, probamos justo el ejercicio comentado en la introducción. Primero, notemos que como en la hipótesis, se pide que n\neq0, tiene sentido hablar del número n-1. Aunque no hemos definido a la resta en los números naturales, podemos definir a esta expresión como el único número m tal que \sigma(m)=n

Teorema. Si n\neq 0, entonces n=\{0,1,2,...,n-1\}.

Demostración. Procedamos por inducción sobre n. Como el resultado es a partir de 1, la base inductiva corresponde al caso n=1. Este caso es claro, ya que por definición,

    \begin{align*}1&=\sigma(0)\\&=\sigma(\emptyset)\\&=\emptyset\cup\{\emptyset\}\\&=\{0\}.\end{align*}

Supongamos que para alguna n, se tiene que n=\{0,1,...,n-1\}, y probemos que el resultado también es cierto para \sigma(n). Para ello, se usa la siguiente cadena de igualdades, en la cual te invitamos a pensar por qué se da cada igualdad:

    \[\sigma(n)=n\cup\{n\}=\{0,1,...,n-1\}\cup\{n\}=\{0,1,...,n-1,n\}.\]

Esto termina el paso inductivo y por lo tanto la demostración.

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Consideremos un número natural y ocupemos este resultado para examinarlo como conjunto. Para no hacer la notación muy larga ocuparemos el 4. Por el teorema anterior, tenemos que

    \begin{align*}4&=\{0,1,2,3\}\\&=\{\emptyset,\{0\},\{0,1\},\{0,1,2\}\}.\end{align*}

Analizando cada elemento del conjunto 4, podemos ver que cada uno de los elementos (ya expandidos) de nuestro conjunto, es a su vez un subconjunto del 4. Por ejemplo, uno de los elementos de 4 es el conjunto 2=\{0,1\}, que claramente es un subconjunto de 4. Pensando de forma similar, no debe ser difícil convencerse, al menos de forma intuitiva, que esta propiedad será satisfecha de manera más general en los naturales.

Motivados por lo anterior, enunciamos el teorema siguiente, y damos una prueba formal usando el principio de Inducción.

Teorema. Si n es un número natural y se tiene que y\in n, entonces y\subseteq n.

En este punto es muy importante recordar que y\in n significa que y es un elemento de n, mientras que y\subseteq n significa que y es un subconjunto de n, es decir, que todo elemento de y también es elemento de n. Pasemos a la demostración.

Demostración. De nuevo procedamos por inducción, si n=0, la proposición y\in0 es falsa, ya que 0=\emptyset, como el antecedente es falso, la proposición y\in0\Rightarrow y\subseteq0, es verdadera, y así probamos el caso base (como y=\emptyset, a esto también se le conoce como una prueba por vacuidad).

Supongamos que el resultado es cierto para alguna n, es decir que si y\in n, entonces y\subseteq n. Probemos que también es cierta la afirmación al substituir n por \sigma(n).

Sea y\in \sigma(n)=n\cup\{n\}. Por la definición de la unión hay dos casos: o bien y\in n, o bien y\in \{n\}.

Tratemos el primer caso. Si y\in n, entonces por la hipótesis de inducción, tenemos que y\subseteq n, pero por definición de \sigma(n) tenemos que n\subseteq \sigma(n). Como la contención de conjuntos es transitiva, concluimos que y\subseteq \sigma(n).

El caso restante es y\in\{n\}. En este caso, el único elemento en el conjunto del lado derecho es n, así que debe suceder que y=n. De aquí es inmediata la contención buscada, pues y=n\subseteq \sigma(n). En cualquier caso, obtenemos lo que que queremos. Así la inducción y la prueba concluyen.

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Conjuntos transitivos y un ejemplo

Nota que la propiedad de un conjunto X de que si y\in X\Rightarrow y\subseteq X, es equivalente a la propiedad de que si z\in y\in X\Rightarrow z\in X. También, en general, esta propiedad no se satisface para cualquier conjunto. Es así que motivamos la siguiente definición.

Definición. Se dice que un conjunto X es transitivo, si Z\in Y\in X implica que Z\in X.

Los conjuntos transitivos son de suma importancia en la teoría de conjuntos, y probablemente conocerás más de ellos si llevas algún curso de esa materia. Un estudio profundo de estos conjuntos se sale de los fines de nuestro curso, pero podemos decir unas pocas cosas más. Con esta nueva definición podemos reformular el teorema de la sección anterior como sigue.

Teorema. Cada uno de los números naturales es un conjunto transitivo.

Como mencionamos, los conjuntos transitivos parecen ser una clase muy particular de conjuntos. Sin embargo, podemos mencionar otro conjunto transitivo de suma importancia: el conjunto \mathbb{N}. Esperamos que así como hicimos con los números naturales, puedas formarte una intuición de por qué esta afirmación es cierta, usando el teorema inicial.

Antes de dar la prueba, consideramos pertinente hacer mención de los límites del principio de inducción. En el teorema anterior, probamos que cada número natural es transitivo, nunca se probó que \mathbb{N}, fuese transitivo. De la misma forma, si en algún momento pruebas que una afirmación es cierta para cualquier número natural, esa misma afirmación podría dejar de ser cierta al considerar el caso de todo el conjunto \mathbb{N}. Encontraremos ejemplos de esto en entradas posteriores. Ahora sí, enunciamos el teorema.

Teorema: El conjunto \mathbb{N} de números naturales es transitivo.

Demostración. Debemos probar que si n\in \mathbb{N}, entonces n\subseteq \mathbb{N}. Es decir, que todo número natural es un subconjunto de \mathbb{N} Para esto, usaremos inducción sobre n.

Evidentemente la base es cierta ya que 0=\emptyset es un subconjunto de todo conjunto, en particular del de los naturales.

Supongamos que para un natural fijo n sucede que n\subseteq\mathbb{N} y a partir de ello probemos que \sigma(n) también es un subconjunto de los naturales.

Para ver que esto es cierto, usamos que \sigma(n)=n\cup \{n\}. Esta es una unión de conjuntos, así que basta ver que cada uno está contenido en \mathbb{N} Por un lado, \{n\} está contenido en los naturales, ya que su único elemento es el número n, que está en \mathbb{N}. Por otro, por hipótesis de inducción, n\subseteq\mathhbb{N}. Concluimos entonces, como queríamos, que \sigma(n)\subseteq \mathhbb{N}.

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Nota que el teorema inicial de la sección es un refinamiento de este teorema, ya que no solo nos dice que los números naturales están contenidos en \mathhbb{N}, sino que nos dice específicamente, quienes son los elementos de n.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  • Demuestra que \{2,3\} no es un conjunto transitivo ¿Quién es el mínimo conjunto transitivo que lo contiene?
  • Prueba que si X y Y son transitivos, entonces X\cap Y es transitivo.
  • Demuestra que si X es transitivo, entonces \bigcup X también es un conjunto transitivo.
  • Prueba que en general que si X es transitivo, entonces \sigma (X) también es transitivo.
  • Demuestra que un conjunto es transitivo si y solo si \bigcup X\subset X.

Más adelante

El teorema que demostramos al inicio de la entrada tendrá de nuevo mucha importancia en el siguiente tema, aunque demostramos que cada número n es el conjunto de los n elementos menores que el, necesitamos definir qué significa que un conjunto tenga n elementos. Motivados por esta idea, y por las características de los números naturales, definiremos también la idea de que un conjunto tenga una cantidad infinita de elemento. Veremos que, como podrás intuir, el conjunto \mathbb{N} de todos los números naturales es en verdad un conjunto infinito y que en cierto sentido formal es el «más pequeño» de todos estos conjuntos.

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Álgebra Superior II: Otras definiciones recursivas en los naturales (exponenciación y factorial)

Introducción

En las entradas pasadas hemos dado la definición recursiva de la suma y del producto usando el teorema de la recursión débil y probamos las propiedades elementales de estas operaciones usando el principio de inducción.

Continuando con esta línea de pensamiento, en esta entrada definiremos las funciones exponenciales usando las funciones producto; sin embargo, para definir estas funciones, también ocuparemos el teorema de recursión débil. Para ver que no enunciamos en vano la versión fuerte de este teorema, daremos como aplicación la definición de la función factorial, y de la misma forma a como lo hicimos antes, probaremos algunas de sus propiedades haciendo uso del principio de Inducción. Sin embargo, dejaremos algunas de las propiedades como ejercicio para que puedas practicar este tipo de pruebas una vez más.

Exponenciación en los naturales

Desde la educación elemental nos enseñan que «multiplicar es sumar repetidas veces» y que «exponenciar es multiplicar repetidas veces». Formalicemos esta intuición mediante el teorema de recursión.

Definición: Sea m\in \mathbb{N}. Definimos \eta_{m}:\mathbb{N}\longrightarrow\mathbb(N), como la función que satisface las siguientes propiedades:

  1. \eta_{m}(0)=1
  2. \eta_m(\sigma(n))=p_{m}(\eta_{m}(n))

Así como lo hemos hecho con la definición de producto y de suma, introduciremos la «notación usual» para hablar de esta función. En este caso, definimos m^n:=\eta_m(n).

De este modo, en términos de las notaciones usuales, podemos suplir la propiedad (2) de la definición anterior como m^{n+1}=m\cdot m^n.

Las potencias de 0 y de 1

Así como lo hicimos con la suma y el producto, analizaremos de forma especial a las funciones \eta_{0} y \eta_{1}.

Teorema: Tenemos que \eta_{0}(0)=1 y si n\neq 0, entonces \eta_{0}(n)=0.

La demostración queda como un ejercicio moral. La buena noticia es que hemos trabajado lo suficiente como para no tener que realizar una prueba por inducción. Cuando intentes demostrar esto por tu cuenta, recuerda qué sucede cuando multiplicamos por 0.

Notemos que así como lo definimos, 0^0 es 1 en los números naturales. Sin embargo, como veremos más adelante y como posiblemente lo sabrás ya, la expresión 0^0 no estará definida en otros sistemas numéricos como los números reales. Al igual que «0 es un natural», la definición de 0^0 frecuentemente varía dependiendo del contexto.

Teorema: Tenemos que \eta_{1}(n) =1 para todo n en los naturales.

Demostración. Para este resultado sí procederemos por inducción sobre n. Por la parte (1) de la definición de \eta_{1}, tenemos que \eta_{1}(0)=1. Esta es nuestra base de inducción.

Supongamos que \eta_{1}(n)=1. Queda demostrar que \eta_{1}(\sigma(n))=1. Sin embargo esto se sigue ya que por definición, \eta_{1}(\sigma(n))=1\cdot\eta_{1}(n)=1\cdot 1=1. Te invitamos a identificar los argumentos que se ocuparon en cada paso

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La exponencial no conmuta ni asocia

Como la notación que ocupamos para las funciones \eta_{m} no es tan simétrica como la que ocupamos para el producto o para la suma, uno puede esperar que esta operación no sea en general conmutativa. En efecto esto es cierto, solo basta notar que

0^1\neq1^0

Así mismo la exponenciación no es en general asociativa, es decir que existen casos en que

(n^m)^l\neq n^{(m^l)}

Encontrar un contraejemplo queda como un ejercicio moral.

Le exponenciación y otras operaciones.

Cuando estudiamos el producto de números naturales, vimos que esta operación se distribuye sobre la suma, entonces una buena pregunta es preguntarnos qué pasa cuando mezclamos la exponenciación con el producto y la suma. Quedará como ejercicio dar contraejemplos a todas las siguientes proposiciones:

  1. n^{(l\cdot m)}=n^l\cdot n^l
  2. (l+m)^n=l^n+m^n
  3. n^{l+m}=n^l+n^m

Sin embargo, probaremos dos teoremas conocidos usualmente como las leyes de los exponentes. El primero de ellos dice que por la izquierda, la exponenciación sí se distribuye sobre el producto.

Teorema: Si a,b,n\in\mathbb{N}, entonces (a\cdot b)^n=a^n\cdot b^n.

Demostración. Procedamos por inducción sobre n. De la definición de exponencial, tenemos que (a\cdot b)^0=1=1\cdot 1= a^0\cdot b^0, por lo que la base de inducción es cierta.

Supongamos que para algún n se tiene que (a\cdot b)^n=a^n\cdot b^n y probemos que (a\cdot b)^{\sigma(n)}=a^{\sigma(n)}\cdot b^{\sigma(n)}. Esto es cierto ya que

    \begin{align*}(a\cdot b)^{\sigma(n)}&=(a\cdot b)\cdot (a\cdot b)^n\\&=(a\cdot b)\cdot (a^n\cdot b^n)\\&=(a\cdot a^n)\cdot (b\cdot b^n)\\&=a^{\sigma(n)}\cdot b^{\sigma(n)}\end{align*}

A diferencia de las entradas anteriores ya ocupamos sin mención las propiedades ya demostradas o la hipótesis de inducción; sin embargo, sería bueno que detallaras las pruebas.

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Aunque vimos que en general no podemos hablar de que la exponencial se distribuya, sí hay importantes relaciones que notaremos en los siguientes dos teoremas.

Teorema: Si a,b,n\in\mathbb{N}, entonces a^{b+n}=a^b\cdot a^n

Demostración. De nuevo procederemos por inducción sobre n. Si n=0, entonces a^{b+0}=a^b =a ^b \cdot 1=a^b \cdot a^0, con lo que probamos la base de inducción.

Supongamos entonces que para algún n se tiene que a^{b+n}=a^b\cdot a^n, y demostremos el caso para \sigma(n). Sabemos que

    \begin{align*}a^{b+ \sigma(n)}=&a^{\sigma(b+n)}\\=&a\cdot a^{b+n}\\=&a\cdot (a^b\cdot a^n)\\=&a^b\cdot (a \cdot a^n)\\=&a^b\cdot a^{\sigma(n)}\end{align*}

Con esto termina la prueba.

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El siguiente teorema queda como ejercicio de la tarea moral, para que puedas practicar.

Teorema: Si a,b,n\in\mathbb{N}, entoces (a^b)^n=a^{b\cdot n}.

El factorial

Hasta ahora, sólo hemos ocupado el teorema de recursión débil a la hora de definir las operaciones. A pesar de que antes demostramos que ambas versiones del teorema son equivalentes, la siguiente definición mostrará la naturalidad que tiene el ocupar el teorema de Recursión Fuerte para algunas cosas.

Definición: Se define la función factorial, f:\mathbb{N}\to \mathbb{N}, como la única función dada por el teorema de recursión fuerte que cumple que

  • f(0)=1
  • f(\sigma(n))=p_{\sigma(n)}(f(n))

Usaremos la notación n!:=f(n). Así, la primer parte de la definición dice que 0!=1 y la segunda dice que (n+1)!=(n+1)\cdot n!.

Notemos que en la definición anterior es necesario ocupar el teorema de Recursión Fuerte ya que en cada paso damos una función distinta. En concreto, para dar la definición en \sigma(n) usamos a la función p_{\sigma(n)}.

El factorial es una función que jugará un papel importante en varios temas que verás en la facultad. Tiene una fuerte relación con contar cosas, el cual es un tema que posiblemente hayas estudiado en Álgebra Superior II. Aparece al contar las permutaciones de objetos, pero también como parte de la fórmula para los coeficientes binomiales \binom{n}{k}. También, lo encontraremos en este curso a la hora de enunciar el teorema de Wilson de teoría de números, pero necesitamos definir más cosas antes de llegar ahí.

Sin embargo, algo que sí podemos hacer ahora es demostrar una propiedad interesante que satisface el factorial.

Proposición: Para todo n\in \mathbb{N}, se tiene que 0\cdot 0!+1\cdot 1!+2\cdot 2!+...+n\cdot n!+1=(n+1)!

Demostración. Procederemos por inducción, el caso base es claro ya que 0\cdot 0!+1= 0+1=1!.

Supongamos que el resultado es cierto para alguna n y con esta suposición probemos que

0\cdot 0!+1\cdot 1!+2\cdot 2!+...+n\cdot n!+(n+1)\cdot(n+1)!+1=(n+2)!.

Sabemos por nuestra hipótesis de inducción que

    \begin{align*}&0\cdot 0!+1\cdot 1!+2\cdot 2!+...+n\cdot n!+(n+1)\cdot(n+1)!+1\\=&(0\cdot 0!+1\cdot 1!+2\cdot 2!+...+n\cdot n!+1)+(n+1)\cdot(n+1)!  \\=&(n+1)!+ (n+1)\cdot(n+1)!\\=&(n+1)!(1+n+1)\\=&(n+1)!(n+2)\\=&(n+2)!\end{align*}

En la primer igualdad estamos usando la conmutatividad y asociatividad de la suma. En la segunda igualdad, la hipótesis de inducción. Para la tercer igualdad estamos factorizando el término (n+1)!. El resto de igualdades se siguen de las definiciones.

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Resumen de las propiedades de los exponentes

Para finalizar con la entrada, hacemos un repaso de las propiedades que demostramos, posiblemente las conozcas como las leyes de los exponentes

  • Para todo n número natural, se tiene que n^0=1
  • Si n\neq 0,entonces 0^n=0
  • Para todo n número natural, se tiene que n^1=n
  • Para todo n número natural, se tiene que 1^n=1
  • Para l,m,n naturales, se tiene que (l\cdot m)^n=l\n\cdot m^n
  • Para l,m,n naturales, se tiene que n^{l+m}=n^l\cdot n^m
  • Para l,m,n naturales, se tiene que n^{l\cdot m}=(n^l)^m

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  1. Encuentra los contraejemplos que faltaron en la entrada
  2. Da la demostración de que 0^n=0, para toda n
  3. Prueba que para todos los naturales a,b,n, se tiene que (a^b)^n=a^{b\cdot n}
  4. El factorial consiste en «multiplicar los primeros enteros». ¿Qué pasa si queremos hacer algo análogo para sumar los primeros enteros? Da una definición recursiva de una función S(n)=0+1+2+...+n, ¿por qué en realidad no es necesario dar una definición recursiva de esta función?
  5. Demuestra que si n,m son naturales tales que existe k\in\mathbb{N} tal que n\cdot k=n^k=m, entonces n^m=m^n. El regreso de esta afirmación es también verdadero, pero para verlo formalmente, necesitamos desarrollar más teoría

Más adelante…

Con esta entrada, acabamos con las definiciones de operaciones a través de los teoremas de Recursión; sin embargo, no podemos decir que no ocuparemos este teorema en futuras ocasiones, al menos de forma implícita, mucho menos nos olvidaremos del principio de Inducción, el cuál irá siempre adherido al concepto de número natural.

En las siguientes entradas, estudiaremos otro tipo de propiedades de los naturales, relacionadas con el orden y el tamaño que estos tienen. Sin embargo, aún ocuparemos las operaciones que definimos y las relacionaremos; por ejemplo, con el orden que les daremos.

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Álgebra Superior II: Definición del producto y sus propiedades básicas

Introducción

En la entrada anterior, nos dedicamos a buscar una definición apropiada para la suma de números naturales, y después nos dedicamos a probar las propiedades más elementales que esta operación satisface.

Ahora es el turno de la multiplicación o producto, que se definirá de forma similar a la suma, ya que ocuparemos el teorema de Recursión Débil, y para probar sus propiedades ocuparemos el principio de Inducción.

Te motivamos a releer la entrada anterior y pensar unos momentos en el ejercicio 5 de la entrada anterior.

Definición del producto.

Así como con la suma, recurriremos a una definición recursiva, la cual existe en virtud del teorema de Recursión.

Definición: Sea m\in\mathbb{N}, defnimos la función p_{m}:\mathbb{N}\longrightarrow\mathbb{N}, como la función que satisface las propiedades siguientes:

  1. p_{m}(0)=0
  2. p_{m}(\sigma(n))=s_{m}((p_{m}(n)).

Denotaremos a p_{m}(n) como m\cdot n, o simplemente como mn

Ejemplo: Para aclarar la definición anterior, consideremos p_{7} y realicemos el diagrama conmutativo correspondiente a su definición recursiva.

Recordemos que las flechas indican a donde es mandado cada elemento bajo cada función, entonces las flechas verticales, justamente son las que nos indican los valores de p_{7} en cada número natural, observemos que estos valores coinciden con la conocida tabla del 7.

Aprendiendo a multiplicar por uno

En este momento, demostraremos las propiedades más importantes del producto. Tenemos la fortuna de que contamos con una buena cantidad de propiedades de las funciones s_{n}, las cuales ya podremos usar sin ningún problema, más aún, para simplificar la notación haremos uso de la notación m+n, en vez de la notación s_{m}(n), cada vez que se pueda.

Siguiendo la idea anterior, mencionamos la siguiente identidad, que es solo una reformulación del punto (2) de la definición del producto, pero que nos servirá para esclarecer la mayor parte de las pruebas.

Observación: a\cdot\sigma(n)=a+(a\cdot n)

Para referir a esta observación en una demostración ocuparemos el símbolo \overset{*}{=}

Proposición: Para toda n\in\mathbb{N}, se tiene que p_{1}(n)=n, es decir, 1\cdot n=n

Demostración. Como se esperaba, la prueba es por inducción sobre n.

Base inductiva: Por la definición de p_{1}, tenemos que p_{1}(0)=0

Hipótesis de inducción: Supongamos que para algún n, se tiene que p_{1}(n)=n

Paso inductivo: Debemos demostrar que p_{1}(\sigma(n))=\sigma(n), esto se sigue por las siguientes igualdades

    \begin{align*}p_{1}(\sigma(n))&\overset{*}{=}1+(p_{1}(n))\\ &\overset{\text{H.I.}}{=}1+n=\sigma(n).\end{align*}

Donde la última igualdad se da recordando que en la entrad a anterior probamos que s_{1}(n)=\sigma(n)

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Con esto hemos aprendido a multiplicar por 1.

Aprendiendo a multiplicar por cero

Proposición: Para toda n\in\mathbb{N}, se tiene que p_{0}(n)=n

Demostración. Procedamos por inducción sobre n, la base inductiva es directa de la definición, ya que p_{0}(0)=0.

Nuestra hipótesis de inducción consiste en suponer que para alguna n se tiene que p_{0}(n)=0. Entonces queda demostrar que p_{0}(\sigma(n))=0. Esto se sigue de las siguientes igualdades.

    \begin{align*}p_{0}(\sigma(n))&\overset{*}{=}0+p_{0}(n)\\ &\overset{\text{H.I.}}{=}0+0=0\end{align*}

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La propiedad distributiva izquierda

La siguiente propiedad es una de las más famosas, ya que nos permitirá relacionar la suma y el producto, además jugará un papel importante en la demostración de las siguientes propiedades.

Proposición (propiedad distributiva izquierda): Si a,b,n son números naturales, entonces p_{s_{a}(b)}(n)=s_{p_{a}(n)}(p_{b}(n)), u ocupando la notación familiar (a+b)\cdot n=(a\cdot n)+(b\cdot n).

Demostración: Procedamos por inducción, como podrás notar con todas estas demostraciones, la inducción será sobre la variable que aparezca más a la derecha de nuestras expresiones, es decir, la inducción será sobre n

Base inductiva: Por la definición del producto tenemos que, (a+b)\cdot 0=0, y por las propiedades que demostramos para la suma, concluimos que 0=0+0, sin embargo; de nuevo por la definición del producto, 0=(a\cdot n) y 0=(b\cdot n), uniendo todas estas igualdades concluimos que (a+b)\cdot 0=(a\cdot n)+(b\cdot n), justo como queremos.

Hipótesis de inducción: Supongamos que para algún n se tiene que (a+b)\cdot n=(a\cdot n)+(b\cdot n).

Paso inductivo: Debemos probar que (a+b)\cdot\sigma(n)=(a\cdot\sigma(n))+(b\cdot\sigma(n)). Por la observación que hicimos, tenemos

    \begin{align*}(a+b)\cdot\sigma(n)&\overset{*}{=}(a+b)+((a+b)\cdot n)\\ &\overset{\text{H.I.}}{=}(a+b)+((a\cdot n)+(b\cdot n))\end{align}

A partir de aquí, el resultado se seguirá usando la asociatividad y la conmutatividad de la suma, en la siguiente cadena de igualades detallamos la demostración paso a paso ¿Puedes identificar cómo ocupamos las propiedades de la suma?.

    \begin{align*}(a+b)+((a\cdot n)+(b\cdot n))&=a+(b+((a\cdot n)+(b\cdot n)))\\&=a+((b+(a\cdot n))+(b\cdot n))\\&=a+(((a\cdot n)+b)+(b\cdot n))\\&=a+((a\cdot n)+(b+(b\cdot n)))\\&=(a+(a\cdot n))+(b+(b\cdot n))\\&\overset{*}{=}(a\cdot \sigma (n))+(b\cdot \sigma (n))\end{align*}

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Aunque la prueba anterior fue un poco más confusa que las anteriores, las consecuencias que tendrá esta proposición serán sumamente importantes.

El producto es conmutativo

Como mencionamos, la asociatividad y la conmutatividad, serán una consecuencia de las propiedades distributivas, por el momento veamos que en efecto la suma conmuta.

Proposición (conmutativiad): Si m,n\in \mathbb{N}, entonces m\cdot n=n\cdot m

Demostración. Una vez más hagamos la prueba por inducción sobre n

Base inductiva: Por definición tenemos que m\cdot 0 =0, además p_{0}(m)=0 por lo demostrado antes, es decir que m\cdot 0=0=0\cdot m

Hipótesis de inducción: Supongamos que para alguna n, se tiene que m\cdot n=n\cdot m

Paso inductivo: Debemos probar que m\cdot\sigma(n)=\sigma(n)\cdot m. Esto se sigue ya que

    \begin{align*}m\cdot\sigma(n)&\overset{*}{=}m+(m\cdot n)\\&\overset{\text{H.I.}}{=}m+(n\cdot m) \end{align*}

Pero ya demostramos que m=1\cdot m, usando esto y la propiedad ditributiva, podemos concluir que

    \begin{align*}m+(n\cdot m)&=(1\cdot m )+(n\cdot m)\\&=(1+n)\cdot m=\sigma(n)\cdot m\end{align*}

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Con la conmutatividad, podemos probar de manera inmediata el siguiente resultado

Corolario (propiedad distributiva derecha): Si a,b,n son números naturales, entonces a\cdot(b+ n)=(a\cdot b)+(a\cdot n).

La prueba queda como un ejercicio moral, en parte porque su prueba no requiere Inducción. Con este resultado, podemos probar la propiedad asociativa del producto.

El producto es asociativo

Con la propiedad asociativa derecha , podemos dar la demostración de la propiedad asociativa del producto

Proposición (asociatividad): Si a,b,n son números naturales, se tiene que a\cdot(b\cdot n)=(a\cdot b)\cdot n.

Demostración. De nuevo procedamos por inducción sobre n

Base inductiva: Notemos que por definición, para cualquier número natural m se tiene que 0=p_{m}(0)=m\cdot 0. Con esto en mente tenemos que, (a\cdot b)\cdot(0)=0=a\cdot 0=a\cdot(b\cdot 0) que es justo la base de inducción.

Hipótesis de Inducción: Supongamos que para alguna n\in \mathbb{N}, tenemos que (a\cdot b)\cdot n=a\cdot(b\cdot n)

Paso Inductivo: Demostremos que (a\cdot b)\cdot\sigma(n)=a\cdot(b\cdot \sigma(n)). Como

    \begin{align*}a\cdot b)\cdot\sigma(n)&\overset{*}{=}(a\cdot b)+(a\cdot b)\cdot n\\ &\overset{\text{H.I.}}{=}(a\cdot{b})+a\cdot(b\cdot n)\\&=a\cdot (b+b\cdot n)\\&\overset{*}{=}a\cdot(b\cdot \sigma (n)) \end{align*}

la igualdad que no está justificada es la aplicación de la propiedad distributiva.

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Ley de la cancelación

Para concluir con las propiedades del producto, enunciamos la propiedad de la cancelación del producto, recordemos que esta propiedad también es válida para la suma. Para hacer esta prueba necesitamos trabajar un poco.

Recordemos el ejercicio 2 de la Tarea moral de la entrada Principio de inducción y teoremas de recursión, el cual ya hemos ocupado anteriormente:

Si n\neq0, entonces existe a\in \mathbb{N} tal que n=\sigma(a)

De la misma forma, el ejercicio 1 de la Tarea moral de la entrada pasada dice que:

Si a,b\in\mathbb{N} son tales que a+b=0, entonces a=b=0

Con estos resultados en mente probamos el siguiente lema.

Lema: Si n\neq 0 y m\in \mathbb{N} es tal que m\cdot n=0, entonces m=0.

Demostración. Como n\neq0, entonces existe a\in \mathbb{N}, tal que n=\sigma(a), entonces tenemos que

    \begin{align*}0&=m\cdot n\\&=m\cdot\sigma(a)\\\overset{*}{=}m+(m\cdot a).\end{align*}

Entonces tenemos que m\cdot a=0 y que m=0 que es lo que debíamos probar

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Es común usar una equivalencia lógica del enunciado anterior, la cual dice:

Si n,m\in \mathbb{N}\setminus\{0\}, entonces n\cdot m\in \mathbb{N}\setminus\{0\}

Proposición (ley de cancelación): Si m,n son números naturales y a\neq0 y cunplen que a\cdot n=a\cdot m, entonces, n=m

Demostración. De nuevo, procedamos por inducción sobre n

Base inductiva: Supongamos que n=0 y a\neq0, entonces a\cdot m=a\cdot n=a\cdot0 =0, por el Lema tenemos que m=0=n.

Hipótesis de inducción: Supongamos que para algún n, tenemos que si a\neq0 y a\cdot n=a\cdot m, entonces n=m

Paso inductivo: Probemos para \sigma(n), sea a\neq 0 y supongamos que a\cdot\sigma(n)=a\cdot m

Como \sigma(n)\neq 0, y por hipótesis, a\neq0, entonces por la equivalencia del lema, concluimos que a\cdot\sigma(n)\neq 0, de donde a\cdot m\neq 0, esto implica que m\neq 0, por lo que existe b tal que m=\sigma(b), entonces podemos escribir

    \begin{align*}a+a\cdot n& \overset{*}{=}a\cdot\sigma(n)\\&=a\cdot m\\&=a\cdot\sigma(b)\\&\overset{*}{=}a+a\cdot b\end{align*}

Ocupando la ley de cancelación de la suma, tenemos que a\cdot n=a\cdot b

Pero por hipótesis de inducción debemos de tener que n=b, esto quiere decir que \sigma(n)=\sigma(b)=m, justo como debíamos probar.

\square

Con esta prueba concluimos las propiedades más fundamentales del producto.

Resumen de las propiedades del producto

Para finalizar con la entrada, haremos un compendio de las propiedades que demostramos

  • Para todo n natural, se tiene que 1\cdot n=n=n \cdot 1
  • Para todo n natural, se tiene que 0\cdot n=0=n \cdot 0
  • Para l,m,n naturales cualesquiera se tiene que (l+m)\cdot n=(l\cdot n)+(m\cdot n)
  • Para m,n naturales se tiene que m\cdot n=n\cdot m
  • Para l,m,n naturales cualesquiera se tiene que l\cdot(m+n)=(l\cdot m)+(l\cdot n)
  • Para l,m,n naturales cualesquiera se tiene que (l\cdot m)\cdot n=l\cdot(m\cdot n)
  • Para m,n naturales con m\neq 0, si m\cdot n=0, entonces n=0
  • Para l,m,n naturales con l\neq 0, si l\cdot n=l\cdot m, entonces n=m

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  1. Prueba la Propiedad distributiva derecha
  2. Usando únicamente la ley de cancelación el producto, demuestra el Lema previo a la demostración de la ley de cancelación
  3. ¿Qué pasa si en el enunciado de la ley de la cancelación, no asumimos que a\neq 0?
  4. Demuestra usando el Lema previo a la demostración de la ley de cancelación que si n,m\in \mathbb{N}\setminus\{0\}, entonces n\cdot m\in \mathbb{N}\setminus\{0\}
  5. Da una definición recursiva de las funciones \eta_{m} (n)=m^n y prueba las leyes de los exponentes.

Más adelante…

Con las propiedades de la suma y del producto en nuestra bolsa de herramientas, tenemos ya una rica teoría que desarrollar; nos falta aún definir una relación muy familiar en el conjunto \mathbb{N}, el orden, al cual ya hemos apelado en la demostración del teorema de la Recursión Débil.

Por el momento estudiaremos con mayor detalle los conjuntos infinitos, donde veremos la importancia de los naturales dentro de esta clase de conjuntos.

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Álgebra Superior II: Definición de la suma y sus propiedades básicas

Introducción

Para continuar con nuestra tarea de construir las operaciones más elementales de los números naturales, en esta entrada definimos la conocida operación suma. Un buen ejercicio antes de empezar con el contenido de la entrada, es pensar ¿Cómo podemos definir la suma de dos números enteros? De nuevo nos encontramos con el problema de intentar definir formalmente algo que ha sido intuitivo para nosotros durante la mayor parte de nuestra vida.

Sin embargo, todo el trabajo que hicimos en las entradas anteriores, especialmente en la demostración del teorema de Recursión, nos servirán para poder dar una definición precisa de qué es la suma. Además, usando el principio de Inducción, podremos demostrar las propiedades que nos han sido tan familiares desde hace mucho tiempo.

La idea intuitiva de la suma

La primera forma en la que aprendimos a sumar, al menos de manera intuitiva y tal vez limitada, fue usando nuestros dedos. Ocuparemos esta idea como hilo conductor, para poder llegar a la definición recursiva de la suma. Con esta forma de pensar, si queríamos sumar 3+4, poníamos frente a nosotros nuestras manos con los dedos abajo, e instantáneamente mencionábamos la palabra «tres«. Después estirábamos un primer dedo y al mismo tiempo, mencionábamos la palabra «cuatro» (a quien ahora conocemos como el sucesor de 3), después alzábamos un segundo dedo y decíamos «cinco» (el sucesor de 4) , y continuábamos de la misma manera hasta que tuviéramos cuatro dedos totalmente extendidos; momento en el cual, decíamos el resultado: «siete«.

Analicemos un poco qué es lo que queremos decir con «continuábamos de la misma manera«. Entre cada número que contábamos, varias cosas pasaban por nuestra mente. Al mencionar un número, lo primero que hacíamos era cerciorarnos que aún tuviéramos extendidos menos dedos de los que queríamos añadir. Si esta condición se satisfacía, teníamos que grabarnos el número que habíamos mencionado justo en ese instante (el olvidar dicho número, tenía como consecuencia empezar el procedimiento desde el inicio), después alzábamos el siguiente dedo, y mencionábamos el sucesor del número memorizado (es por esto que recordar ese número era tan importante). Muy a grandes rasgos esto es lo mismo que lo que haremos de manera formal.

Definición de la suma

Esperamos que en los párrafos anteriores puedas encontrar una analogía entre el algoritmo que usábamos para sumar cotidianamente, y el método recursivo que describiremos a continuación. Antes de precisar la definición de la suma, hay que aclarar que no definiremos «de golpe» qué quiere decir «sumar dos números». Más bien, lo que haremos es, para cada natural, decir qué quiere decir «sumarle otro». Lo haremos de esta manera pues esto es lo que nos permite hacer el teorema de Recursión. Así, para cada número natural m (fijo) obtendremos una función que nos sume a ese número fijo, una cantidad arbitraria.

Definición: Sea m\in\mathbb{N}. Definimos la función s_{m}:\mathbb{N}\longrightarrow\mathbb{N}, como la única función que satisface las propiedades siguientes:

  1. s_{m}(0)=m
  2. s_{m}(\sigma(n))=\sigma(s_{m}(n)).

Denotaremos s_{m}(n) como m+n.

Vale la pena hacer un par de comentarios de la definición anterior. Primero mencionamos que esta definición depende totalmente del teorema de Recursión Débil. Si regresas al enunciado del teorema, podemos notar que la función s_m se obtiene tomando X=\mathbb{N}, x_{0}=m, f=\sigma y g=s_{m}.

En segundo lugar, hay que remarcar que a pesar de nuestra intuición, los papeles de m y n en la expresión m+n, no son intercambiables. Por definición m+n=s_{m}(n), mientras que n+m=s_{n}(m). A primera vista, estos valores no tienen por qué coincidir. Veremos que en efecto esta y otras propiedades sí son válidas, para que posteriormente podamos utilizarlas de manera directa.

Aprender a sumar cero

De aquí en adelante probaremos varias propiedades de la suma. Debido a la definición recursiva de esta función, la mayor herramienta que ocuparemos es el principio de Inducción.

Antes de lanzarnos a demostrar la primer propiedad, nota que directamente de las definiciones de las funciones s_{m} y de la notación que estamos usando, se tiene que m+0=s_m(0)=m. Ahora nos gustaría ver que también 0+m=m, pero como aún no sabemos que la suma sea conmutativa, tendremos que probarlo por inducción.

Proposición: Para todo n\in\mathbb{N} se tiene que s_{0}(n)=n, es decir, 0+n=n

Demostración. Como se mencionó, procedamos por inducción sobre n.

Base inductiva: Por el punto (1) de la definición de s_0, tenemos que s_{0}(0)=0.

Hipótesis inductiva: Supongamos que para algún n\in\mathbb{N}, se tiene que s_{0}(n)=n

Paso inductivo: Demostremos que s_{0}(\sigma(n))=\sigma(n).

La demostración se sigue de la siguiente cadena de igualdades, las cuales justificamos una a una abajo:

    \begin{align*}s_{0}(\sigma(n))&=\sigma(s_{0}(n)) \\&\overset{\text{H.I.}}{=}\sigma(n).\end{align*}

La primera igualdad sucede por el punto (2) de la definición de s_0. La segunda igualdad sucede por la hipótesis inductiva, lo cual estamos indicando con un «H.I.» sobre el símbolo de igualdad.

Esto termina el paso inductivo y entonces la proposición se vale para todos los naturales.

\square

Así, ya sabemos «sumar cero».

Aprender a sumar uno

Veamos ahora que nuestra intuición de «sumar uno» en efecto coincide de manera formal con «ir al sucesor».

Observación: Tenemos la siguiente cadena de igualdades

    \[n+1=s_{n}(1)=s_{n}(\sigma(0))=\sigma(s_{n}(0))=\sigma(n).\]

La primera es por nuestra elección de notación. La segunda por la definición del símbolo 1, pues simplemente es el sucesor de 0. La tercera es por el punto (2) de la definición de s_n. Finalmente, la última es por el punto (1) de la definición de s_n.

\square

Proposición: Para todo n\in\mathbb{N} se tiene que s_{1}(n)=\sigma(n), es decir, que al juntarlo con la observación anterior obtenemos 1+n=\sigma(n)=n+1.

Demostración. Demostremos que s_1(n)=\sigma(n) por inducción sobre n. Tenemos que s_{1}(0)=1=\sigma(0) por el punto (1) de la definición de s_1 y por la definición de 1. Esto muestra que la igualdad se cumple en el caso base n=0.

Nuestra hipótesis de inducción es suponer que s_{1}(n)=\sigma(n) y a partir de ella debemos demostrar que s_{1}(\sigma(n))=\sigma(\sigma(n)). Esto lo logramos mediante la siguiente cadena de igualdades:

    \begin{align*}s_{1}(\sigma(n))&=\sigma(s_{1}(n))\\ &\overset{\text{H.I.}}{=} \sigma(\sigma(n))\end{align*}

La primera igualdad se debe al punto (2) de la definición de s_1.

\square

La suma es asociativa

Con los resultados probados en las dos secciones anteriores, continuamos ahora probando propiedades más interesantes de la suma. Aunque las aprendimos desde la educación básica, ahora será momento de justificar por qué se deducen de lo que hemos construido. Empezamos por la asociatividad.

Proposición (asociatividad): Si a, b, n, son naturales arbitrarios, entonces (a+b)+n=a+(b+n).

Como es usual, aquí los paréntesis significan «hacer esa operación primero». Si quisiéramos usar la notación formal, tendríamos que enunciar la asociatividad como

    \[s_{a+b}(n)=s_a(s_b(n)),\]

y cuando hagamos la demostración aprovecharemos la definición de estas funciones s_{a+b}, s_a y s_b.

Demostración. Procedamos por inducción. Tenemos tres variables naturales. ¿Sobre cuál hacemos inducción? Esto es una decisión importante y el hacer una elección incorrecta puede dificultar la prueba o impedir concluirla. Haremos inducción sobre n, pero te recomendamos que intentes hacerlo sobre las otras variables para detectar las dificultades que pueden surgir.

Base inductiva: (a+b)+0=a+b=a+(b+0). En el primer paso usamos el punto (1) de la definición de s_{a+b} y en el segundo usamos el punto (1) de la definición de s_b.

Hipótesis inductiva: Supongamos que (a+b)+n=a+(b+n). Recuerda que en una prueba inductiva sólo se hace la hipótesis inductiva para un valor fijo de n, pero lo que se quiere suponer es que se vale para todo valor de n. Así, no estamos suponiendo que cualquier n pueda asociarse con cualesquiera dos números, solo estamos suponiendo que una n fija puede asociarse con los valores fijos de a y de b; más aún, el orden de a y b importa, ya que no hemos demostrado aún la conmutatividad.

Paso inductivo: Demostremos que (a+b)+\sigma(n)=a+(b+\sigma(n)).

Hagamos esto mediante la siguiente cadena de igualdades:

    \begin{align*}(a+b)+\sigma(n)&=\sigma((a+b)+n)\\&\overset{\text{H.I}}{=}\sigma(a+(b+n))^\\&=a+\sigma(b+n)\\&=a+(b+\sigma(n)).\end{align*}

Aquí las igualdades se siguen, respectivamente, de la definición de s_{a+b}, de la hipótesis inductiva, de la definición de s_a y de la definición de s_b. Con esto, concluimos la prueba del paso inductivo y con ello la prueba por inducción.

\square

En la demostración anterior ya no estamos siendo tan específicos con exactamente qué parte de la definición de las funciones estamos usando. Sin embargo, te sugerimos completar estos detalles pues te ayudarán a entender mucho mejor por qué cada uno de los pasos tiene su justificación.

La suma es conmutativa

Otra de las propiedades de la suma que nos enseñan en educación básica es que «el orden de los factores no afecta el resultado». Esto tiene un nombre en matemáticas formales: conmutatividad. El objetivo de la siguiente proposición es demostrar que en efecto la suma es conmutativa.

Proposición (conmutatividad): Si, n, m son naturales, entonces n+m=m+n.

En términos de las funciones que construimos mediante el teorema de recursión esto se ve como s_n(m)=s_m(n).

Demostración. De nuevo, procedamos por inducción sobre n, por la misma razón remarcamos que entonces m es un número arbitrario pero fijo.

Base inductiva. Por la primer proposición que probamos, tenemos que 0+m=m=m+0.

Hipótesis de Inducción: Supongamos que n cumple que n+m=m+n.

Paso inductivo: Demostremos que \sigma(n)+m=m+\sigma(n).

Hagamos esto mediante la siguiente cadena de igualdades:

    \begin{align*}m+\sigma(n)&=\sigma(m+n)\\&\overset{H.I.}{=}\sigma(n+m)\\&=n+\sigma(m)\\&=n+(1+m)\\&=(n+1)+m\\&=\sigma(n)+m.\end{align*}

Como siempre, es importante justificar cada igualdad. Pero ahora es tu turno. ¿Cuáles son las justificaciones de cada una de estas igualdades? Nota que algunas serán las definiciones, algunas serán la notación que estamos usando y finalmente otras se deducen de propiedades que ya demostramos (como la asociatividad).

\square

La suma se cancela

Imagina por un momento que tenemos una igualdad del estilo x+8=y+8 en los números naturales. Nos gustaría poder concluir que x=y. Sin embargo, no podemos hacer el «truco tradicional» de «restar 8» en cada lado de la igualdad para cancelar al 8, pues en los naturales no existe la operación de resta. Nos encontraremos con ella más adelante, hasta que trabajemos con los números enteros.

Aunque no podamos restar, de cualquier forma podemos realizar cancelaciones de este estilo. La siguiente proposición formaliza este hecho.

Proposición (cancelación por la derecha): Si, a, b, n son naturales, tales que a+n=b+n, entonces a=b.

Demostración. Como ya esperábamos, sean a y b arbitrarios, y procedamos por inducción sobre n.

Base inductiva. Si a+0=b+0, por definición de s_a y s_b obtenemos a=b.

Hipótesis inductiva. Supongamos que n es tal que cada vez que tengamos a+n=b+n, obtenemos que a=b.

Paso inductivo. Demostremos que si a+\sigma(n)=b+\sigma(n), entonces a=b.

Entonces supongamos que a+\sigma(n)=b+\sigma(n). Por definición a+\sigma(n)=\sigma(a+n) y b+\sigma(n)=\sigma(b+n). Por nuestra hipótesis tendríamos entonces que \sigma(a+n)=\sigma(b+n). Usando el cuarto axioma de Peano, obtendríamos entonces que a+n=b+n. Finalmente, la hipótesis inductiva nos garantiza que entonces a=b, como buscábamos.

\square

Podemos enunciar el resultado anterior en una forma un poco más «funcional».

Corolario: Las funciones s_{m} con m\in \mathbb{N} son inyectivas.

Demostración: Con todas las herramientas que hemos desarrollado, ya no será necesario ocupar la inducción.

Si s_{m}(a)=s_{m}(b), por la conmutatividad de la suma, tenemos que s_{m}(a)=s_{a}(m) y s_{m}(b)=s_{b}(m). Esto quiere decir que a+m=b+m, y por la proposición anterior, a=b.

\square

Con esto hemos demostrado las propiedades más fundamentales de la suma, a partir de las cuales podremos probar muchas más.

Resumen de propiedades de la suma

Para recapitular, en esta entrada demostramos las siguientes propiedades de la suma y por lo tanto podremos usarlas directamente de aquí en adelante:

  • Para todo n natural, se tiene 0+n=n=n+0.
  • Para todo n natural, se tiene 1+n=\sigma(n)=n+1.
  • Para m y n naturales cualesquiera, se tiene m+n=n+m.
  • Para l,m,n naturales cualesquiera, se tiene que l+(m+n)=(l+m)+n.
  • Para l,m,n naturales cualesquiera, si m+l=n+l, entonces m=n.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  1. Demuestra que si a, b\in \mathbb{N}, y a+b=0, entonces a=b=0.
  2. Demuestra que si a+a=b+b, entonces a=b. ¡Ten cuidado! En los números naturales no se vale «dividir», así que más bien tendrás que hacer una prueba inductiva.
  3. Sean m,n,l naturales cualesquiera. Demuestra, usando sólo las propiedades que ya mostramos (ya sin inducción), que todas las siguientes expresiones son iguales:

        \begin{align*}m+(n+l)\\(l+m)+n\\n+(m+l)\\(n+l)+m\\\end{align*}

  4. ¿Cuáles de las funciones s_{m} tienen inversa? ¿Qué significa esto?
  5. Antes de dominar las tablas de multiplicar de memoria, ¿Cómo multiplicabas? Ocupa esta idea para motivar una definición recursiva del producto de números naturales.

Más adelante…

Ya que conocemos las propiedades de la suma, podemos pasar a definir el producto, y análogamente, a como lo hicimos antes, estudiaremos sus propiedades usando el principio de Inducción.

Entradas relacionadas

Geometría Analítica I: Rectas en forma paramétrica

Introducción

Anteriormente definimos las operaciones de suma y de producto escalar en \mathbb{R}^2. Después de eso, enunciamos varias de sus propiedades y demostramos algunas de ellas. Lo que haremos ahora es utilizar lo que hemos construido hasta ahora para dar una definición clave de nuestro modelo: la de recta.

Mediante varios interactivos veremos que las propiedades algebraicas que estamos pidiendo en efecto satisfacen lo que queremos de las rectas a partir de nuestra intuición geométrica. Además de esto, demostraremos una proposición que unifica los postulados 1 y 3 de Euclides, lo cual será señal de que vamos en buen camino para obtener dichos postulados a partir de nuestro enfoque algebraico. Cerraremos con algunos ejemplos de rectas en su forma paramétrica.

Rectas en forma paramétrica

Iniciemos formalmente con la definición de la recta.

Definición. Dados un punto P y un vector Q \neq 0, la recta que pasa por P con dirección Q es el conjunto

L=\{ P+rQ : r \in \mathbb{R} \}

En la definición anterior se piensan a P y Q fijos y a r como un parámetro variable. Con esto en mente, tiene sentido que esta expresión sea conocida como la forma paramétrica de la recta.

Como lo mencionamos al inicio, conocemos todo lo necesario para comprender esta forma paramétrica y es pertinente analizar un poco sus partes para poder realizar la representación gráfica.

El conjunto L está representado por la suma de un punto fijo P en el espacio y por un término de la forma rQ que, si recuerdas, representa un producto escalar y que sabemos cómo se ve en el espacio. Si r es fijo, tenemos un re-escalamiento del vector Q y en el caso en el que r<0 un cambio de dirección. Para la forma paramétrica de la recta, resulta que r no es fijo, y aunque esta es la primera vez que vemos algo así, es posible pensarlo como la unión de los casos cuando r es fijo, una unión de tantos elementos como \mathbb{R}. Así rQ representa una recta formada por todos los re-escalamientos posibles de el vector Q: la recta que pasa por el origen y por Q.

¿Cómo se verá entonces el total P+rQ? Si de nuevo pensamos en un r específico, tenemos que rQ es un re-escalamiento. Por el método del paralelogramo sabemos que P+rQ es avanzar desde el origen hasta el punto P y tomando ahora este «como origen», avanzar hasta rQ; de cierta manera estamos trasladando rQ para que empiece en P. Volviendo al caso general, P+rQ se ve como la recta rQ, pero trasladada paralelamente para que pase por el punto P.

Ejemplo. Sean P=(-3,5) y Q=(2,7). Tenemos que la recta L desde el punto P y en dirección Q es el conjunto

    \begin{align*}L&=\{ (-3,5)+r(2,7) : r \in \mathbb{R} \}\\&=\{ (-3+2r,5+7r) : r \in \mathbb{R} \}\end{align*}

En el siguiente interactivo el punto P se encuentra de color rojo, el vector Q y la recta rQ de color verde. La recta paralela a rQ que pasa por P se encuentra de color azul y por último, de color morado se encuentra P+rQ para un r fijo cuyo valor puedes controlar con el deslizador a tu izquierda. El punto P+rQ está diseñado para que al cambiar el valor de r (con el deslizador), puedas ver su rastro, es decir que deje marca por donde pasa. Nota cómo al mover el deslizador, todos los puntos P+rQ se encuentran sobre la recta paralela a la recta definida por la expresión rQ que pasa por el punto P.

Así, podemos concluir que P+rQ es precisamente la recta rQ trasladada paralelamente para que pase por el punto P.

\square

Para cerrar un poco la definición de la forma paramétrica, planteemos algunos casos especiales del parámetro r:

  • Cuando r=0 tenemos al punto P.
  • Cuando r=1, el punto en la recta corresponde a P+Q
  • ¿Qué pasa entonces cuando 0<r<1 ? Resulta que en tal caso nos encontramos en el segmento comprendido entre P y P+Q pues rQ será una fracción de Q y al sumárselo a P obtenemos un vector que parte de P (0<r) y llega hasta P+rQ, que «queda antes» de P+Q, pues r<1.

Función asociada a la recta

Hagamos un pequeño paréntesis para hablar de la relación que tiene esta expresión de la recta con los números reales.

Como acabamos de ver, la forma paramétrica de la recta está definida con base en un parámetro r \in \mathbb{R}. Al decir «parámetro» queremos expresar que es una variable que nos ayuda a definir nuestro objeto, en este caso una recta. Como r corre en todos los reales, puede fungir como la variable de una función asociada a la recta. \mathbb{R} es nuestro dominio, y como la recta es una suma de vectores, el co-dominio debe ser \mathbb{R}^2 (y de hecho, esto funciona en general al tomar puntos en \mathbb{R}^n). Así, definimos \phi: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^2 como

\phi (r)=P+rQ

Resulta que esta función define una biyección entre \mathbb{R} y la recta L. En otras palabras, a cada valor de r le corresponde uno y sólo un valor en L (es función suprayectiva) y cada valor de L se obtiene de un único r (es inyectiva).

Ver que es suprayectiva es muy simple, pues la recta L está definida precisamente mediante el parámetro r y no hay manera de que en L haya puntos que tengan otra expresión. Veamos ahora que es inyectiva. Para esto supongamos que existen r,s \in \mathbb{R} tales que \phi(r)=\phi(s). Para probar la inyectividad debemos concluir que r=s.

Si \phi(r)=\phi(s), por definición de la función se tiene

P+rQ=P+sQ

Sumando -(P+sQ) de ambos lados obtenemos, P+rQ-(P+sQ)=0 y desarrollando el lado izquierdo con las propiedades de suma y producto escalar obtenemos que

    \begin{align*}0&=P+rQ-(P+sQ)\\&=P+rQ-P-sQ\\&=P-P+rQ-sQ\\&=0+rQ-sQ\\&=rQ-sQ\\&=Q(r-s).\end{align*}

Es importante que en este punto te cuestiones qué propiedades de la suma y producto escalar se están usando en cada una de las igualdades anteriores.

En resumen, obtenemos que Q(r-s)=0. Pero en la definición de la recta se establece que Q \neq 0. De este modo, concluimos que r-s=0, que en otras palabras es la igualdad r=s que buscábamos. Concluimos que existe una biyección entre cualquier recta y los reales.

\square

Postulados 1 y 3 de Euclides

Si recuerdas, en entradas anteriores se hablo que con esta «nueva» construcción de la geometría (la forma analítica), los postulados de Euclides podían ser demostrados. Ha llegado el momento en el que demostraremos una proposición que fusiona a los postulados 1 y 3.

Proposición. Para cualesquiera dos puntos, se puede trazar el segmento de recta que los une y este segmento se puede prolongar indefinidamente.

Aunque en este momento la demostración puede parecer trivial, no lo es. Si notas, la recta que definimos con P y Q sólo tiene la garantía de pasar por P, pero podemos solucionar esto eficientemente.

Demostración. Sean P y Q puntos en el plano. Consideremos la recta que pasa por P y con dirección Q-P

L=\{ P+r(Q-P) : r \in \mathbb{R} \}

Esta recta pasa por P y Q pues si tomamos r=0, obtenemos P y si r=1, entonces se obtiene el punto P+(Q-P)=Q.

Ahora, por cómo definimos L, esta es la recta que pasa por P y Q y que se extiende indefinidamente pues r recorre todos los reales. La pregunta que nos falta responder es ¿cómo obtenemos sólo los puntos en el segmento que une a P y Q? Así como en la discusión que tuvimos arriba, cuando el parámetro r está entre 0 y 1 obtendremos los puntos entre P y (Q-P)+P=Q. Con esto en mente, el segmento de recta que une a los puntos P y Q es el conjunto

l:=\{ P+r(Q-P) : 0 \leq r \leq 1 \}

\square

Ejercicios

Para cerrar esta entrada plantearemos algunos ejercicios de rectas en su forma paramétrica e incluiremos sus interactivos.

Problema. Dibuja las siguientes rectas

  1. L_1=\{ (2,3)+ t(1,1) : t \in \mathbb{R} \}

Solución.

En este ejercicio el punto es P=(2,3) y el vector director Q=(1,1). Para construir la recta que definen, «dibujamos» primero la recta t(1,1) (en azul) y después trazamos su paralela que pase por (2,3) (en verde). Si hicimos bien el procedimiento, cuando muevas el deslizador de t, el rastro de (2,3)+t(1,1) debe estar sobre la recta verde. Así, la recta (2,3)+t(1,1) t \in \mathbb{R} es la recta verde.

\square

  1. L_2= \{ (r-1,-2r) : r \in \mathbb{R} \}

Solución.

En este ejercicio tenemos a P y a rQ ya sumados, por lo que tenemos que separarlos (con ayuda de la definición de suma vectorial) para saber cuáles son individualmente. El vector rQ es aquel cuyas entradas tienen a r, P es lo que queda. Así,

rQ=(r,-2r) y P=(-1,0)

Por lo que

Q=(1,-2)

Siguiendo el mismo procedimiento del ejercicio anterior, localizamos la recta rQ=r(1,-2) (verde) y trazamos su paralela que pase por (-1,0) (rojo). Si el procedimiento es correcto, entonces cuando muevas el deslizador de r El rastro de (-10)+r(1,-2) se debe posicionar sobre la recta roja. Así la recta roja es (r-1,-2r) : r \in \mathbb{R}.

\square

Tarea moral

  • Justifica cada paso de cada procedimiento con ayuda de los axiomas de los reales y las propiedades que se probaron en la entrada anterior.
  • Escribe la ecuación que representa a una partícula que pasa por el orígen en un t=0 («su punto de partida») y tiene dirección (-5,-3). La ecuación tendrá la forma paramétrica de una recta.
  • Escribe el punto anterior ahora suponiendo que la partícula pasa por el punto (2,3) en t=0.
  • Dibuja las siguientes dos rectas (si te es posible con ayuda de GeoGebra):
    • L_a=\{ (0,-2)+(-r,2r) : r \in \mathbb{R} \}
    • L_b=\{ (2s-1,s) : s \in \mathbb{R} \}
  • Escribe la representación paramétrica de cada una de las rectas que se pueden formar al tomar dos de los puntos (5,-3), (-7,2) y (13,9). Obtendrás tres rectas, cada una de ellas en forma paramétrica.

Más adelante…

Con lo que aquí se desarrolló, en la siguiente entrada será posible construir las rectas en su forma baricéntrica y seremos capaces de darle a esta una interpretación física. Más adelante trataremos la intersección de rectas y definiremos la forma normal de una recta.