1.5. COMBINACIÓN LINEAL: definición y ejemplos

Por Jennyfer Paulina Bennetts Castillo

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(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

INTRODUCCIÓN

Tenemos nuestros ingredientes: los vectores y los escalares.
Tenemos nuestras parejas: resultado del producto un vector por un escalar.
Tenemos nuestros equipos: resultado de la suma de parejas.

En el caso de $K=\mathbb{R}$ tenemos que las parejas nos dicen «cuánto» de cada «ingrediente».

La combinación lineal es el «equipo» que formamos por medio de nuestras «parejas» (puede ser una pareja solita). Por medio de este concepto, entrelazamos todo lo que hemos visto: campos y espacios vectoriales (con sus operaciones y propiedades).

COMBINACIÓN LINEAL

Definición: Sea $V$ un $K$ – espacio vectorial. Consideremos $m\in \mathbb{N}^{+}$ y $v_1,…,v_m\in V$. Una combinación lineal de $v_1,…,v_m$ es una expresión de la forma
$\lambda_1v_1+…+\lambda_mv_m$ con $\lambda_1,…,\lambda_m\in K$.

Nota: De modo más general, si $S$ es un subconjunto de $V$, entonces una combinación lineal de vectores de $S$ es un vector de la forma
$\lambda_1v_1+…+\lambda_mv_m$ con $v_1,…,v_m\in S$ y $\lambda_1,…,\lambda_m\in K$.

Ejemplos:

  • Sea $S=\{(1,0,0),(1,-1,0),(1,1,-1)\}$.
    $2(1,0,0)-(1,-1,0)+5(1,1,-1)=(6,6,-5)$;
    $-3(1,0,0)+0(1,-1,0)+(1,1,-1)=(-2,1,-1)$;
    $0(1,0,0)+(1,-1,0)+0(1,1,-1)=(1,-1,0)$
    son combinaciones lineales de vectores de $S$.
  • Sea $S=\{(\frac{1}{n},\frac{1}{n})|n\in\mathbb{N}^{+}\}$.
    $2(\frac{1}{2},\frac{1}{2})+3(\frac{1}{6},\frac{1}{6})-4(\frac{1}{12},\frac{1}{12})=(\frac{7}{6},\frac{7}{6})$
    es una combinación lineal de vectores de $S$.
  • Sea $S=\mathcal{P}_2(\mathbb{R})=\{a+bx+cx^2|a,b,c\in\mathbb{R}\}$.
    $\frac{1}{2}x+(1-2x+5x^2)-(8+3x)+3(4-2x+x^2)$$=5-\frac{21}{2}x+8x^2$
    es una combinación lineal de vectores de $S$.

Nota: Aun cuando el conjunto $S$ sea infinito, sólo consideraremos combinaciones lineales en las que se use una cantidad finita de vectores de $S$.

Observación: A menudo, uno o más vectores en un conjunto dado pueden expresarse como combinaciones lineales de otros vectores en el conjunto.

Proposición: Sean $V$ un $K$ – espacio vectorial, $S\not=\emptyset$ un subconjunto de $V$. El conjunto de todas las combinaciones lineales de vectores de $S$ cumple lo siguiente:

i) es un subespacio de $V$.

ii) contiene a $S.$

iii) está contenido en cualquier subespacio de $V$ que contenga a $S$.

Demostración: Sea $V$ un $K$ – espacio vectorial, $S\subseteq V$, $S\not=\emptyset$.
Denotemos por $\mathcal{C}(S)$ al conjunto de todas las combinaciones lineales de vectores de $S$.

i) P.D. $\mathcal{C}(S)\leqslant V$

  • Primero, como $S\not=\emptyset$, podemos tomar $v\in S$.
    $\therefore\theta_V=0v\in \mathcal{C}(S)$.
  • Luego, sean $v,w\in\mathcal{C}(S)$.
    Es decir, existen $n,m\in \mathbb{N}^{+}$, $\lambda_1,…,\lambda_n, \mu_1,…,\mu_m\in K$, $v_1,…,v_n,\omega_1,…,\omega_m\in S$ tales que:
    $v=\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n$
    $w=\mu_1\omega_1+…+\mu_m\omega_m$
    Veamos que $v+w\in\mathcal{C}(S)$.
    $v+w=(\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n)+(\mu_1\omega_1+…+\mu_m\omega_m)\in \mathcal{C}(S).$.
  • Por último, sean $v\in\mathcal{C}(S)$, $\lambda\in K$.
    Es decir, existen $n\in \mathbb{N}^{+}$, $\lambda_1,…,\lambda_n\in K$ tales que
    $v=\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n$
    Veamos que $\lambda v\in K$.
    $\begin{align*} \lambda v & =\lambda(\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n) \\ & =\lambda(\lambda_1v_1)+…+\lambda(\lambda_nv_n) \\ & =(\lambda\lambda_1)v_1+…+(\lambda\lambda_n)v_n\in\mathcal{C}(S) \end{align*}.$

ii) P.D. $S\subseteq\mathcal{C}(S)$

Sea $v\in S$.
Tenemos que $v=1v\in\mathcal{C}(S).$

iii) P.D. Si $W \leq V$ es tal que $S\subseteq W$, entonces $\mathcal{C}(S)\subseteq W$.

Sea $W \leq V$ tal que $S\subseteq W$.
Tomaremos $v$ un elemento arbitrario de $\mathcal{C}(S)$:
Sean $v_n \in\mathcal{C}(S)$, existen $n\in\mathbb{N}^{+}$ y $v_1,\dots, v_n \in\mathcal{C}(S)$ de manera que
$v=\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n$
donde $\lambda_1,…,\lambda_n\in K$ y $v_1,…,v_n\in S$.
Tenemos que $\forall i$ $(v_i\in S\subseteq W)$
$\therefore v_i\in W$ para toda $i.$
Gracias a que $W$ es un subespacio y a que el producto por escalar y la suma son cerrados en los subespacios, se cumple que $\lambda_iv_i\in W$ para toda $i$ y por ende, $v=\lambda_1v_1+…+\lambda_nv_n\in W.$

Tarea Moral

  1. Describe (en lenguaje natural o algebraico) los elementos que se pueden obtener mediante combinaciones lineales de $S=\{(1,-1,0),(2,-2,0),(3,-3,0),…\}$.
  2. Obtén $\begin{pmatrix} i & 3i \\ 2 & 1-i \end{pmatrix}$ como combinación lineal de $\begin{pmatrix} 2i & 6i \\ 4 & 2-2i \end{pmatrix}$ y $\begin{pmatrix} i & 3i \\ 2 & 1-i \end{pmatrix}$ de 5 maneras distintas.
  3. ¿Existe algún conjunto $S$ infinito donde al menos un elemento no se pueda escribir como combinación lineal de otros elementos del conjunto? Puedes construirlo pensando en el ejercicio 1 – agregando un elemento -.

Más adelante…

Ahora que podemos tomar un subconjunto finito de vectores y obtener, por medio de combinaciones lineales, tanto conjuntos finitos como infinitos, analizaremos una propiedad muy peculiar del conjunto que resulta a partir de ello y el nombre que recibe.

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Teoría de los Conjuntos I: Sucesor

Por Gabriela Hernández Aguilar

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Introducción

En esta nueva entrada hablaremos acerca del sucesor de un número natural. Este concepto nos permitirá definir un poco más adelante qué son los conjuntos inductivos, que simultáneamente nos dará un método de demostración muy versátil, y conectará nuestro estudio de los números naturales con el de los conjuntos infinitos.

Sucesor

La noción que estudiaremos ahora es la siguiente.

Definición. Sea $x$ un conjunto. Definimos al sucesor de $x$ como $s(x)=x\cup \set{x}$.

Ejemplos.

  • El sucesor de $\emptyset$ es $s(\emptyset)=\emptyset\cup \set{\emptyset}=\set{\emptyset}$.
  • El sucesor de $\set{\emptyset}$ es $s(\set{\emptyset})=\set{\emptyset}\cup \set{\set{\emptyset}}=\set{\emptyset, \set{\emptyset}}$.
  • Luego, el sucesor de $\set{\emptyset, \set{\emptyset}}$ es $s(\set{\emptyset, \set{\emptyset}})=\set{\emptyset,\set{\emptyset}}\cup \set{\set{\emptyset, \set{\emptyset}}}=\set{\emptyset, \set{\emptyset}, \set{\emptyset, \set{\emptyset}}}$.
  • El sucesor de $\set{\set{\emptyset}}$ es $s(\set{\set{\emptyset}})=\set{\set{\emptyset}}\cup \set{\set{\set{\emptyset}}}= \set{\set{\emptyset}, \set{\set{\emptyset}}}$.

$\square$

La noción de sucesor está definida para cualquier conjunto. Pero dado que en esta unidad únicamente estaremos trabajando con números naturales, prácticamente nos limitaremos a usar la definición de sucesor para conjuntos que son números naturales. En este caso sucede algo especial: si $n$ es un número natural, entonces $s(n)$ también lo es. Vamos a demostrar esto, pero antes demostraremos algunos lemas que nos serán de utilidad.

Unos lemas sobre la pertenencia

A continuación probaremos algunos resultados sobre la pertenencia de números naturales en sí mismos y de unos en otros. Cuando los leas, te darás cuenta de que ya habíamos demostrado resultados similares y más generales en la entrada del axioma de buena fundación. Sin embargo, nota que en las siguientes demostraciones no es necesario utilizar este axioma, pues la definición de número natural nos da todo lo que necesitamos.

Lema 1. Para cualquier número natural $n$, no es posible que $n\in n$.

Demostración.

Sea $n$ un número natural. Entonces $\in_n$ es un orden total estricto para $n$. Si sucediera que $n\in n$, entonces tendríamos una contradicción pues tendríamos $n\in_n n$ y $n\in_n n$, lo que contradice la asimetría de $\in_n$. Así, $n\not \in n$.

$\square$

Lema 2. Si $n$, $m$ son números naturales, entonces no es posible que $n\in m$ y $m\in n$ al mismo tiempo.

Demostración.

Sean $n$ y $m$ números naturales. Si $n\in m$ y $m\in n$, entonces $n\in n$ pues $n$ es conjunto transitivo. Esto contradice el lema anterior.

Por lo tanto, no es posible que $n\in m$ y $m\in n$ al mismo tiempo.

$\square$

Así, hemos logrado hacer estas demostraciones sin recurrir al axioma de buena fundación. Como comentario tangencial, en teoría de los conjuntos no sólo resulta de interés probar resultados que se deducen de los axiomas, sino que a veces también es interesante identificar realmente cuáles son los «axiomas suficientes» para tener algún resultado de la teoría. Nos encontraremos nuevamente con preguntas de este estilo cuando hablemos del axioma de elección.

El sucesor de un natural

Ahora que demostramos los lemas anteriores, estamos listos para probar que el sucesor de un número natural es un número natural.

Teorema. Si $n$ es un número natural, entonces $s(n)$ es un número natural.

Demostración.

Sea $n$ un número natural. Veamos que $s(n)$ es un número natural. Para ello tenemos que probar todo lo siguiente:

  • $s(n)$ es transitivo.
  • $\in_{s(n)}$ es un orden total estricto en $s(n)$.
  • Cualquier $B\subseteq s(n)$ no vacío tiene mínimo y máximo con respecto a $\in_{s(n)}$.

A continuación hacemos todo esto.

$s(n)$ es transitivo.

Sea $y\in s(n)=n\cup\set{n}$. Si $y\in n$, dado que $n$ es un número natural, entonces $n$ es transitivo y por lo tanto, $y\subseteq n$. Así, $y\subseteq n\cup\set{n}$. Si $y\in \set{n}$, entonces $y=n$ y en particular, $y\subseteq n$ y así, $y\subseteq n\cup\set{n}$. En cualquier caso, $y\subseteq s(n)$. Por lo tanto, $s(n)$ es un conjunto transitivo.

$\in_{s(n)}$ es un orden total estricto en $s(n)$.

Para esta parte debemos probar que $\in_{s(n)}$ es una relación asimétrica, transitiva y que cualquiera dos elementos de $s(n)$ son $\in_{s(n)}$ comparables.

Veamos que $\in_{s(n)}$ es asimétrica. Sean $y,z\in s(n)$. Como $y\in s(n)=n\cup \{n\}$, entonces o bien $y=n$, y entonces $y$ es natural, o bien $y\in n$, y entonces $y$ es natural por el teorema de la entrada anterior. De manera análoga, $z$ es natural. Por el Lema 2 de esta entrada, es imposible que $y \in_{s(n)} z$ y $z \in_{s(n)} y$ simultáneamente, por lo que $\in_{s(n)}$ es asimétrica.

Antes de ver que la relación es transitiva, veamos que cualesquiera dos elementos son comparables. Tomemos $y,z \in s(n)$ arbitrarios. Si ambos están en $n$, entonces como $\in_n$ es total, tenemos que o $y\in_n z$, o $y=z$, o $z\in_n y$. Respectivamente tendríamos que $y\in_{s(n)} z$, o $y=z$, o $z\in_{s(n)} y$. Si ambos están en $\{n\}$, entonces $y=n=z$ y así $y=z$. Si $y$ está en $n$ y $z$ está en $\{n\}$, entonces $z=n$ y por lo tanto $y\in z$, de donde $y\in_{s(n)} z$. Si $z$ está en $n$ y $y$ está en $\{n\}$, entonces $y=n$ y por lo tanto $z\in_{s(n)} y$, de donde $z\in_{s(n)} y$.

Para terminar de ver que $\in_{s(n)}$ es un orden total estricto, falta ver que es una relación transitiva. Para ello tomemos $w,y,z\in s(n)$ arbritarios tales que $w\in_{s(n)} y$ y $y\in_{s(n)} z$ y veamos que $w\in_{s(n)} z$. De acuerdo a en dónde están $w,y,z$ en $s(n)=n\cup \{n\}$, tenemos 8 casos. Pero podemos reducirlos a las siguientes tres posibilidades.

  • $w,y,z\in n$, en cuyo caso se da $w\in_n z$ por transitividad de $\in_n$, y así $w\in_{s(n)} z$.
  • Exactamente uno de $w,y,z$ es igual a $n$. No se puede $w=n$ pues llegamos a la contradicción $n=w\in y$ (por nuestra suposición) y $y\in n$ (pues exactamente hay uno igual a $n$). Análogamente, tampoco se puede $y=n$ pues llegamos a la contradicción $n\in z$ y $z\in n$. Así, sólo puede ser $z$, pero entonces $w\in n=z$, de donde $w\in_{s(n)} z$.
  • Al menos dos de $w,y,z$ es igual a $n$. Este caso es imposible pues lleva o bien a una contradicción del estilo $n\in n$ (cuando $w=n=y$ o $y=n=z$), o bien a la contradicción $n\in y \in n$.

Lo anterior cubre todos los casos para mostrar que la relación es transitiva. Hemos entonces mostrado que $\in_{s(n)}$ es un orden total y estricto para $s(n)$.

Cualquier $B\subseteq s(n)$ no vacío tiene mínimo y máximo con respecto a $\in_{s(n)}$.

Supongamos que $B$ conjunto no vacío es subconjunto de $s(n)$ y veamos que $B$ tiene máximo y mínimo.

Caso 1: Si $B\subseteq \set{n}$, como $B\not=\emptyset$ entonces $B=\set{n}$.

Luego, $n=\min (B)$ pues se satisface que para cualquier $y\in B\setminus \set{n}=\emptyset$, se tiene que $n\in y$ por vacuidad.

Finalmente, $n=\max (B)$ pues se satisface que para cualquier $y\in B\setminus \set{n}=\emptyset$, se tiene que $y\in n$ por vacuidad.

Caso 2: Si $B\subseteq n$, entonces $B$ es un subconjunto no vacío de $n$, así que tiene un mínimo $a$ y un máximo $b$ con respecto a $\in_n$, que son a la vez mínimo y máximo con respecto a $\in_{s(n)}$.

Caso 3: Si no pasa que $B\subseteq \set{n}$, ni $B\subseteq n$, entonces hay elementos de $B$ en $\set{n}$ y en $n$. Así, $n\in B$ y podemos definir $a$ como el mínimo de $B\cap n$. Afirmamos que $n=\max(B)$ y $a=\min(B)$.

En efecto, todo $y\in B\setminus\{n\}$ está en $n$ y por lo tanto $y\in_{s(n)} n$. Además, si tomamos $z\in B\setminus \{a\}$, entonces hay dos posibilidades. O bien $z=n$, que acabamos de ver que cumple $a\in_{s(n)} n$. O bien $z\in n$, pero entonces $z\in B\cap n$ y como $a$ es mínimo de $B\cap n$, tenemos entonces $a\in_n z$ y por lo tanto $a\in_{s(n)} z$.

Con esto terminamos de demostrar todo lo que necesitábamos para ver que $s(n)$ es un natural.

$\square$

Tarea moral

La siguiente lista de ejercicios te permitirá aprender otras propiedades del sucesor de un número natural:

  1. Describe al sucesor del natural $\set{\emptyset, \set{\emptyset}, \set{\emptyset, \set{\emptyset}}, \set{\emptyset, \set{\emptyset},\set{\emptyset, \set{\emptyset}}}}$.
  2. Sean $x$ y $y$ conjuntos cualesquiera. Demuestra que si $s(x)=s(y)$, entonces $x=y$.
  3. Prueba que para cualquier natural $n$ se cumple que $\bigcup s(n)=n$.
  4. Sea $x$ un conjunto. Demuestra que $x$ y $s(x)$ son conjuntos distintos. ¿Será siempre cierto que $x$ y $s(s(x))$ son conjuntos disintos? En caso de que sí, da una prueba. En caso de que no, da un contraejemplo.

Más adelante…

En la siguiente entrada definiremos a los conjuntos inductivos. Tales conjuntos nos darán la base para definir al conjunto de los números naturales. Además hablaremos de un nuevo axioma: el axioma del infinito.

Entradas relacionadas

En los siguientes enlaces podrás repasar el contenido acerca de números naturales.

Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Ecuaciones Diferenciales l – Introducción al Curso

Por Omar González Franco

4 respuestas

¡Bienvenidos al curso de Ecuaciones Diferenciales I!

Hola, mi nombre es Omar y te doy la bienvenida al curso de Ecuaciones Diferenciales I el cual escribí como parte del proyecto PAPIME PE104522 Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM, cuyo objetivo principal es:

  • Comenzar un enfoque unificado y articulado para crear cursos completos, de acceso libre, gratuitos y de calidad, para la impartición y el autoaprendizaje de asignaturas de los primeros semestres de la Licenciatura en Matemáticas de la Facultad de Ciencias de la UNAM.

En este proyecto colaboran académicos y estudiantes de la Facultad de Ciencias de la UNAM, en particular, me ha tocado ser tu instructor en este curso escrito. Con este proyecto buscamos brindar a las nuevas generaciones de científicos alternativas de estudio en los temas relacionados con matemáticas, y no sólo eso, este material esta pensado para que sea utilizado por cualquier persona que quiera adquirir conocimientos en matemáticas a nivel universitario, en este caso particular, en ecuaciones diferenciales. Así mismo, se plantea fomentar una cultura de educación a distancia para que más profesores creen material de calidad y lo pongan a disposición del público en general, de manera gratuita y libre.

Este curso ha sido elaborado en base al temario oficial de la materia de Ecuaciones Diferenciales I impartido en la Facultad de Ciencias de la UNAM.

El curso de Ecuaciones Diferenciales I es una materia obligatoria para estudiantes de las licenciaturas en Actuaría, Matemáticas, Matemáticas Aplicadas, Física y Física Biomédica, todas ellas impartidas en la Facultad de Ciencias de la UNAM.

Esta materia es impartida en cuarto semestre, de manera que se considera que cuentas con conocimientos matemáticos sólidos de los tres semestres anteriores, particularmente de las materias de Calculo Integral y Diferencial I, II y III, además de materias como Geometría Analítica, Álgebra Superior I y II, Álgebra Lineal I y, aunque no es totalmente indispensable, Álgebra Lineal II y Calculo Integral y Diferencial IV (éstas últimas suelen llevarse de forma simultánea con Ecuaciones Diferenciales).

Sin embargo, es importante aclarar que este curso es un primer acercamiento a las ecuaciones diferenciales, lo que significa que partiremos de lo más básico y esencial de tal manera que el aprendizaje sea gradual, adecuado y confortante. Además, ha sido diseñado con un sentido propedéutico, pues se han tomado en cuenta una serie de consideraciones didácticas que hacen de la lectura más agradable, enriquecedora e integradora.

A lo largo de las clases notarás que las entradas cuentan con una presentación y diseño particular. En cada una de ellas hay una introducción al tema, una serie de definiciones precedidas por una motivación, la teoría matemática se construye a profundidad y con formalidad y posteriormente se pone en práctica dicha teoría a través de una serie de ejemplos resueltos paso a paso. Finalmente encontrarás una breve conclusión del tema y una motivación hacía el siguiente, así como una series de ejercicios que puedes realizar de forma optativa en los que pondrás a prueba tus conocimientos adquiridos.

Como complemento a este curso escrito, mi compañero Eduardo Vera ha elaborado una serie de videos en los que se desarrolla gran parte de la teoría que veremos en este curso escrito, si bien los temas en su mayoría son los mismos, el enfoque que se da en cada curso varía, además de que hay algunos temas que sólo encontrarás en la sección de videos o en la sección de notas, así que llevarlos de forma simultánea vuelve más enriquecedor el aprendizaje, sin embargo basta tomar sólo el curso escrito o sólo el curso audiovisual para conocer todo lo relacionado a la materia.

A los largo de las clases encontrarás hipervínculos que redirigen a la entrada anterior, a la posterior, a la página principal del curso y a los videos del tema correspondiente, así como a definiciones, teoremas o ejemplos anteriores, ya sea dentro del mismo curso o de un curso distinto dentro del blog, que requieran ser recordados, permitiendo una fluida conectividad en todo momento del curso.

Finalmente, en este curso se han incluido temas que presentan un mayor desarrollo matemático con el propósito de dar un fundamento teórico a los distintos métodos de resolución de las diferentes ecuaciones diferenciales que presentaremos a lo largo del curso, dichos temas están a disposición del estudiante, pero pueden considerarse opcionales para aquellos estudiantes que no requieran de un profundo conocimiento teórico en sus carreras, esto de ninguna manera interrumpirá el flujo de aprendizaje del curso. Si eres de la licenciatura de Matemáticas sí recomienda revisarlos.

Sin más, espero que disfrutes del curso, adquieras los conocimientos aquí planteados y avances en tu carrera ya sea como estudiante de la Facultad de Ciencias o como estudiante de algunas otras licenciaturas en las que las ecuaciones diferenciales son fundamentales o incluso como estudiante autodidacta interesado en aprender matemáticas.

Si en algún momento algo no queda lo suficiente claro siéntete libre de preguntar en los comentaros del blog, yo, así como otros estudiantes, estaremos atentos y procuraremos responder tus dudas.

¡Buen viaje!

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104522 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 2»

Teoría de los Conjuntos I: Números naturales

Por Gabriela Hernández Aguilar

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Introducción

En esta entrada daremos la definición formal de qué es un número natural. Además probaremos algunos resultados sobre números naturales.

Número natural

Definición. Sea $n$ un conjunto. Decimos que $n$ es un número natural si satisface las siguientes tres condiciones:

  1. $n$ es un conjunto transitivo.
  2. $\in_n$ es un orden total estricto en $n$.
  3. Cualquier subconjunto no vacío $z$ de $n$ tiene elemento mínimo y máximo en el orden $\in_n$.

Ejemplo.

Afirmamos que el conjunto $0=\emptyset$ es un número natural. Veamos por qué. En la entrada anterior vimos que $\emptyset$ es un conjunto transitivo.

Además, $(\emptyset, \in_\emptyset)$ es un conjunto totalmente ordenado pues $\in_\emptyset= \emptyset$, por lo que se satisface por vacuidad (en $\emptyset$) que es una relación asimétrica y transitiva. Asimismo, los elementos de $\in_\emptyset$ son comparables por vacuidad (en $\emptyset$) y por lo tanto, $\in_\emptyset$ es un orden total.

Finalmente, se satisface por vacuidad que para cualquier $z\not=\emptyset$ (pues no hay tal) que cumple que $z\subseteq \emptyset$, se tiene que $z$ tiene elemento mínimo y máximo en el orden $\in_\emptyset$.

Por lo tanto, $\emptyset$ es un número natural.

$\square$

Elementos de números naturales son números naturales

En esta sección veremos que si $n$ es número natural y $z\in n$, entonces $z$ es número natural. Lo primero que es conveniente hacer es entender la relación $\in_z$ en términos de la relación $\in_n$.

Lema 1. Si $n$ es un conjunto transtivo, entonces para cualquier $z\in n$ se cumple que $\in_n\cap (z\times z)=\in_z$..

Demostración. En efecto, tenemos que

\begin{align*}
\in_n\cap(z\times z)&=\set{(x,y)\in n\times n:x\in y}\cap(z\times z)\\
&=\set{(x,y)\in z\times z:x\in y}\\
&=\in_z.
\end{align*}

$\square$

El siguiente lema será de ayuda para mostrar que cualquier elemento de un número natural resulta ser también un número natural.

Lema 2. Si $n$ es un conjunto transitivo, entonces, para cualquier $z\in n$ se satisface que $\in_z$ es un orden total estricto en $z$.

Demostración.

Veamos que $\in_z$ es una relación asimétrica, transitiva y sus elementos son $\in_z$-comparables.

  1. Asimetría.
    Procedamos por contradicción. Supongamos que $x,y\in z$ tales que $x\in_z y$ y $y\in_z x$. Por el Lema 1, tendríamos que $x\in_n y$ y $y\in_n x$, lo cual no puede ocurrir pues $\in_n$ es una relación asimétrica. Así, no hay tales $x$ y $y$. Esto muestra que $\in_z$ también es una relación asimétrica.
  2. Transitividad.
    Sean $x, y, w\in z$ tales que $x\in_z y$ y $y\in_z w$. Por el Lema 1, tenemos que $x\in_n y$ y $y\in_n w$, lo que implica que $x\in_n w$ con $x, w\in z$. De nuevo por el Lema 1, se tiene que $x\in_zw$. Por lo tanto, $\in_z$ es transitiva en $z$.
  3. $\in_z$-comparables.
    Sean $x,y\in z$. Dado que $z\in n$, entonces $x\in n$ y $y\in n$. Como $\in_n$ es total, tenemos que $x\in_n y$ o $y\in_n x$ o $y=x$. Por el Lema 1, estas posibilidades implican, respectivamente, que $x\in_z y$ o $y\in_z x$ o $y=x$, es decir, los elementos de $z$ son $\in_z$ comparables.

Por lo tanto, $\in_z$ es un orden total en $z$.

$\square$

Estamos listos para ver que elementos de naturales son naturales.

Teorema. Si $z\in n$ con $n$ número natural, entonces $z$ también es un número natural.

Demostración.

Supongamos que $n$ es un número natural y que $z\in n$. Veamos que en $z$ se verifican las condiciones 1, 2 y 3 de la definición de número natural.

  1. $z$ es un conjunto transitivo.
    En efecto, sea $y\in z$. Como $n$ es transitivo y $z\in n$, tenemos que $y\in n$. Si tomamos $w\in y$, se sigue nuevamente que $w\in n$ por la transitividad de $n$. Como $\in_n$ es transitiva, y $w,y,z$ están en $n$, tenemos entonces que $w\in z$. Así, $y\subseteq z$. Concluimos que para cualquier $y\in z$ se tiene que $y\subseteq z$ y, por lo tanto, $z$ es un conjunto transitivo.
  2. $\in_z$ es un orden total en $z$.
    Por el Lema 2 se tiene que $\in_z$ es un orden total estricto en $z$.
  3. Subconjuntos no vacíos de $z$ tienen máximo y mínimo con respecto a $\in_z$.
    Sea $B\subseteq z$ con $B$ no vacío. Dado que $n$ es un número natural y $z\in n$, tenemos que $z\subseteq n$. Así, por transitividad de la contención se sigue que $B\subseteq n$, por lo que $B$ tiene elemento mínimo y máximo con respecto a $\in_n$. Llamemos a estos elementos $b_1$ y $b_2$, respectivamente. Recordemos que $b_1,b_2$ son elementos de $B$ y, por lo tanto, de $z$ y de $n$.
    Veamos que $b_1$ y $b_2$ son los elementos mínimo y máximo de $B$ con respecto a $\in_z$. Tomemos $b\in B\setminus \{b_1\}$. Como $b\in B$, tenemos que $b\in z$ y por lo tanto $b\in n$. Como $b_1$ es mínimo de $\in_n$, tenemos que $b_1\in_n b$. Por el Lema 1, tenemos entonces que $b_1\in_z b$. Así, $b_1$ es mínimo de $\in_z$. Una demostración análoga muestra que $b_2$ es máximo de $\in_z$. Por lo tanto, $B$ tiene elemento mínimo y máximo con respecto a $\in_z$.

Todo lo anterior nos permite concluir que $z$ es número natural.

$\square$

Tarea moral

La siguiente lista de ejercicios te permitirá reforzar el contenido visto en esta entrada, además de seguir trabajando el concepto de conjuntos transitivos.

  1. Muestra que los conjuntos $1,2,3,4$ que hemos definido previamente en efecto son conjuntos transitivos.
  2. Este ejercicio consiste en probar una versión más general del Lema 2. Muestra que si $(x,\lt)$ es un conjunto estrictamente y totalmente ordenado, entonces para cualquier subconjunto $y$ de $x$ se tiene que $(y, \lt \cap (y\times y))$ también es un conjunto estrictamente y totalmente ordenado.
  3. Prueba que si $x\not=\emptyset$ es un conjunto transitivo, entonces $\bigcap x$ es un conjunto transitivo.
  4. Prueba que si $x$ es un conjunto transitivo, entonces $\bigcup x$ es un conjunto transitivo
  5. Demuestra que si $n$ es un número natural, entonces $n\notin n$. Haz esto de dos formas distintas: 1) Usando la definición de número natural para llegar a una contradicción y 2) Usando el axioma de de buena fundación.
  6. Demuestra que si $n$ y $m$ son números naturales, entonces no puede ocurrir que $n\in m$ y $m\in n$ al mismo tiempo. Haz esto de dos formas distintas: 1) Usando la definición de número natural para llegar a una contradicción y 2) Usando el axioma de buena fundación.

Más adelante…

En la siguiente entrada definiremos al sucesor de un número natural. A partir de este nuevo concepto, probaremos propiedades adicionales para los números naturales.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Nota 16. Los números naturales.

Por Julio César Soria Ramírez

3 respuestas

Introducción

En esta nota iniciaremos el estudio de los números naturales, hasta ahora sabemos trabajar con conjuntos, podemos considerar su complemento, unirlos, intersecarlos, considerar subconjuntos de ellos, considerar particiones y relaciones de equivalencia, etc. Con estas herramientas vamos a dar una definición de los números naturales basada en el sucesor, esta definición implicará los llamados axiomas de Peano, en honor al matemático Giuseppe Peano quien en el siglo XIX, los estableció para definir los números naturales. Así nuestro primer objetivo es dar una definición conjuntista de los números naturales y ver que implica los axiomas de Peano. Puedes consultar el siguiente enlace para conocer más a profundidad la historia de cómo se formalizó la aritmética: Los axiomas de Peano.

Empecemos definiendo lo que es el sucesor de un conjunto $x.$

Definición

Sea $x$ un conjunto, el sucesor de $x$ es:

$x^+=x\cup\set{x}$

Observa que si definimos al cero como el conjunto vacío tenemos que:

$0=\emptyset$

Y entonces su sucesor $0^+$ es:

$0^+=\emptyset^+ =\emptyset\cup \set{ \emptyset}= \set{ \emptyset} =\set{ 0}$

Ese sucesor $0^+$ será el natural $1$, entonces:

$1^+=1\cup\set{1}=\set{0}\cup \set{1}=\set{0,1}=2$

que es el número 2, y así sucesivamente:

$2^+=2\cup \set{2}= \set{0,1}\cup \set{2}=\set{0,1,2}=3$

$3^+=3\cup \set{3}= \set{0,1,2}\cup \set{3}=\set{0,1,2,3}=4$

$\vdots$

$n^+=n\cup \set{n}= \set{0,\dotsc,n-1}\cup \set{n}=\set{0,\dotsc,n}=n+1$

Aceptaremos que esta construcción puede ser llevada a infinito, y lo postularemos como un axioma.

Axioma del infinito

Existe un conjunto que tiene al cero y al sucesor de cada uno de sus elementos.

Démosle ahora nombre a un tipo especial de conjuntos, aquellos que tienen al cero y todos sus sucesores.

Definición

Sea $A$ un conjunto. Decimos que $A$ es un conjunto de sucesores si tiene como elemento al cero y al sucesor de cada uno de sus elementos.

Observemos que el Axioma del infinito asegura la existencia de al menos un conjunto de sucesores. Tiene sentido entonces considerar la intersección de todos los conjuntos de sucesores y veremos que la intersección también es un conjunto de sucesores.

Lema

Si $\set{A_i\mid i\in I}$ es una familia no vacía con $A_i$ un conjunto de sucesores $\forall i\in I,$ entonces $\bigcap\limits_{i\in I} A_{i}$ es un conjunto de sucesores.

Demostración

Sea $\set{A_i\mid i\in I}$ una familia no vacía con $A_i$ un conjunto de sucesores $\forall i\in I$.

Como $A_i$ es un conjunto de sucesores $\forall i\in I$, etonces $0\in A_i\,\,\forall i\in I$, así $0\in \bigcap\limits_{i\in I} A_i$.

Veamos ahora que $ \bigcap\limits_{i\in I} A_i$ tiene al sucesor de cada uno de sus elementos.

Sea $x\in \bigcap\limits_{i\in I} A_i$ entonces $x\in A_i$ $\forall i\in I$. Como cada $A_i$ es un conjunto de sucesores, se tiene que $x^+\in A_i$ $\forall i\in I$, así $x^+\in \bigcap\limits_{i\in I} A_i$ y por lo tanto $\bigcap\limits_{i\in I} A_i$ es un conjunto de sucesores.

$\square$

Con esta definición de conjunto de sucesores y el lema anterior vamos a definir a los números naturales como la intersección de todos los $S$ que son conjunto de sucesores.

Definición

El conjunto de los números naturales es:

$\mathbb N= \bigcap\limits_{S\text{ es un conjunto de sucesores}} S$

Por el lema anterior, $\mathbb N$ es un conjunto de sucesores, así $0\in \mathbb N$ y si $x\in \mathbb N$ entonces $x^+\in \mathbb N$.

Proposición

Si $A\subseteq \mathbb N$ es tal que:

$i)$ $0\in A$

$ii)$ $\forall n$, si $n\in A$ entonces $n^+\in A$

Se tiene que $\mathbb N\subseteq A$ y así $A=\mathbb N$.

Demostración

Sea $A\subseteq \mathbb N$ que cumple las condiciones $i$ y $ii$, entonces $A$ es un conjunto de sucesores por definición, y así $A$ es uno de los conjuntos que se intersecan para formar a $\mathbb N$. Por lo tanto:

$\mathbb N= \bigcap\limits_{S\text{ es un conjunto de sucesores}} S\subseteq A.$ Así, $\mathbb N\subseteq A$.

Y por hipotesis $A\subseteq \mathbb N$ , por lo tanto $A=\mathbb N$.

$\square$

Veremos que la definición que dimos de los números naturales anteriormente implica los axiomas de Peano. Enunciemos dichos axiomas y notemos cómo se derivan de nuestra definición.

Axiomas de Peano

1. $0\in \mathbb N$.

2. Si $n\in \mathbb N$, entonces $n^+\in \mathbb N$.

3. $\forall n\in \mathbb N$, $n^+\neq 0$.

4. $\forall n,m\in \mathbb N$ si $n^+=m^+$ entonces $n=m$.

5. Si $A\subseteq \mathbb N$ es tal que:

$i)$ $0\in A$

$ii)$ $\forall n$, si $n\in A$ entonces $n^+\in A$

Se tiene que $\mathbb N\subseteq A$ y así $A=\mathbb N$.

Vamos a proceder a su demostración en base a la definición de los naturales como:

$\mathbb N= \bigcap\limits_{S\text{ es un conjunto de sucesores}} S$.

El quinto axioma de Peano se conoce como el Principio de inducción y se usa mucho para hacer pruebas referentes a afirmaciones de los números naturales.

Observa que en nuestro caso estas afirmaciones no se están tomando como axiomas pues hemos construido los números naturales a partir de conjuntos, así que verificaremos que con esta construcción los naturales cumplen las condiciones enunciadas.

Demostración

Observa que $1$ y $2$ se cumplen ya que por el lema $\mathbb N$ es un conjunto de sucesores, $5$ se cumple por la proposición antes demostrada.

Demostración de 3

Queremos demostrar que: $\forall n\in \mathbb N$, $n^+\neq 0$.

Sea $n\in \mathbb N$, por definición $n^+=n\cup\set{n}$, así $n\in n^+$ y entonces $n^+\neq \emptyset=0$.

Para probar $4$ requerimos un resultado.

Lema

Todo elemento de un número natural es también subconjunto de éste.

Demostración

Sea $A=\set{n\in \mathbb N\mid si\,\,x\in n \,\, entonces \,\, x\subseteq n}\subseteq \mathbb N$. Probaremos que $A$ cumple $i$ y $ii$ y usando el inciso 5 ya demostrado concluiremos que $A=\mathbb N.$

Como $0=\emptyset$, $0$ no tiene elementos, así $0\in A$ y se cumple $i$.

Ahora, sea $n\in A$. Por demostrar que $n^+\in A.$

Sea $x\in n^+=n\cup \set{n}$.

Caso $1$, $x\in n$

Como $n\in A$ y $x\in n$ entonces $x\subseteq n$, además $n\subseteq n\cup \set{n}= n^+$, entonces $x\subseteq n^+$.

Caso $2$, $x\in \set{n}$

En este caso $x=n$ y como $x=n\subseteq n\cup \set{n}=n^+$, así $x\subseteq n^+.$

En ambos casos se tiene que $x\in n^+$ implica que $x\subseteq n^+,$ así $n^+$ es un elemento de $A$. El conjunto $A$ cumple entonces las condiciones del quinto axioma de Peano que ya hemos demostrado, y por lo tanto $A=\mathbb N$.

$\square$

Demostración de 4

Sea $n,m\in \mathbb N$ tales que $n^+=m^+$, entonces $n\cup \set{n}= m\cup \set{m}$. Así $n\in n\cup \set{n}= m\cup \set{m}$, lo que implica que $n\in m$ o $n=m$. Por otro lado $m\in m\cup \set{m}= n\cup \set{n}$, entonces $m\in n$ o $m=n$.

Supongamos por reducción al absurdo que $n\neq m$, entonces se concluye de lo anterior que $n\in m$ y $m\in n$. Por el lema previo $n\subseteq m$ y $m\subseteq n$, así $n=m$, lo cual es una contradicción y por lo tanto $n=m$.

Y con esto hemos verificado que la construcción que dimos de los números naturales cumple los axiomas de Peano.

$\square$

Para concluir esta nota, mencionaremos las definiciones y propiedades de la suma y el producto de los números naturales que acabamos de definir. Aunque se presentan las definiciones y se enuncian las propiedades, cabe destacar que las pruebas de las mismas, realizadas por inducción, no se incluyen en estas notas con el fin de no desviar la atención del lector y de estudiar la inducción matemática en casos menos abstractos.

Se pueden consultar las pruebas en el libro: Avella D., Campero G., Curso introductorio de Álgebra I, Colección Papirhos, Instituto de Matemáticas de la UNAM, México, 2017.

Definición. Suma en $\mathbb N$

Dado $n\in \mathbb N$ definimos:

$n+0=n$

$n+m^+=(n+m)^+$ $\forall m\in \mathbb N$

Propiedades de la suma

Sean $n,m,l\in \mathbb N.$

  1. $n+0=n$
  2. $(n+m)+l=n+(m+l)$
  3. Si $n+l=m+l$, entonces $n=m$.
  4. $n+m=m+n$.
  5. Si $n\neq 0$ o $m\neq 0$, entonces $n+m\neq 0$

Definición. Producto en $\mathbb N$

Dado $n\in \mathbb N$ definimos:

$n\cdot 1=n$

$n\cdot m^+=n \cdot m+n$ $\forall m\in\mathbb N$

Propiedades del producto

Sean $n,m,l\in \mathbb N.$

  1. $n\cdot 1=n$
  2. $(n+m)\cdot l=n\cdot l+m\cdot l$.
  3. $n\cdot m=m\cdot n$.
  4. $(n\cdot m)\cdot l=n\cdot (m\cdot l)$.
  5. Si $n\neq 0$ y $m\neq 0$, entonces $n\cdot m\neq 0$
  6. Si $l\neq 0$ y $n\cdot l=m\cdot l$ entonces $n=m$.

Tarea Moral

1. Describe a los números naturales $3$, $5$, $7$, como conjuntos, usando la definición conjuntista.

2. Determina si las siguientes afirmaciones se cumplen o no.

  • $3\subseteq 5$
  • $7\subseteq 5$
  • $3\in 5$
  • $7\in 3$

Más adelante

En la siguiente nota definiremos el orden en los números naturales y veremos distintos ejemplos donde aplicaremos el principio de inducción matemática para hacer demostraciones.

Enlaces relacionados

Página principal del curso.

Nota anterior. Nota 15. Relaciones de equivalencia y particiones.

Nota siguiente. Nota 17. El orden en los números naturales.