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Cálculo Diferencial e Integral I: Repaso. Teoría de Conjuntos. (Parte 2)

Introducción

En la entrada anterior vimos que significa ser un conjunto y cuál es la notación que se utiliza para denotarlos. Además de un par de conceptos: pertenencia a un conjunto y subconjunto.

Retomaremos todo lo antes mencionado para ahora presentar las llamadas Operaciones con conjuntos. Estas estarán presentes no sólo en este curso, sino también varios de los textos de matemáticas que consultarás a lo largo de tu vida académica.

Operaciones con conjuntos

A lo largo de esta entrada haremos uso de los Diagramas de Venn para poder ilustrar visualmente cada una de las operaciones que definiremos a continuación.

Ejemplo de diagrama de Venn

Definición (Unión): Sean $A$ y $B$ dos conjuntos. Decimos que la unión de $A$ con $B$ está definida como:

\[ A \cup B=:\left\{ x\mid x\in A \vee x\in B\right\} \]

Esto quiere decir que esta conformada por los elementos que se encuentran en $A$ o los que se encuentran en $B$. En el siguiente diagrama queda representado por la zona sombreada de azul.

Observación. En este caso al hacer uso de la «o» estamos considerando que esta es inclusiva, lo que quiere decir que es válido que $x$ se encuentre tanto en $A$ como en $B$.

A continuación mostraremos un ejemplo para hacer más clara la definición.

Ejemplo: Supongamos que tenemos los siguientes conjuntos:

\[ A=\left\{0,1, 2, 3, 4\right\} \]
\[ B=\left\{0, a,b,c,d,e\right\} \]

Si nosotros queremos obtener $A \cup B$, al aplicar la definición anterior tenemos:

\[ A \cup B=\left\{0,1, 2, 3, 4,0,a,b,c,d,e \right\} \]

Observamos que al realizar la unión de este par de conjuntos «unimos sus elementos en un sólo conjunto llamado $A \cup B$». Veamos que el 0 es un elemento tanto de $A$ como de $B$, por lo que sólo será necesario escribirlo una vez y así nos queda:

\[ A \cup B=\left\{0,1, 2, 3, 4,a,b,c,d,e \right\} \]

Definición (Intersección): Sean $A$ y $B$ dos conjuntos. Decimos que la intersección de $A$ con $B$ está definida como:

\[ A \cap B=:\left\{ x\mid x\in A \wedge x\in B\right\} \]

Esto quiere decir que esta conformada por los elementos que se encuentran en A y los que se encuentran en B. En otras palabras, la intersección esta conformada por los elementos en común de $A$ y $B$.

En el diagrama anterior queda representado por la zona sombreada de verde.

Ejemplo: Retomamos los siguientes conjuntos:

\[ A=\left\{0,1, 2, 3, 4\right\} \]
\[ B=\left\{0, a,b,c,d,e\right\} \]

Si nosotros queremos obtener $A \cap B$, al aplicar la definición anterior tenemos:

\[ A \cap B=\left\{0 \right\} \]

Definición (Diferencia): Sean $A$ y $B$ dos conjuntos. Decimos que la diferencia de $A$ con $B$ está definida como:

\[ A \setminus B=:\left\{ x\mid x\in A \wedge x\notin B\right\} \]

Esto quiere decir que esta conformada por los elementos que se encuentran en $A$ y que no se encuentran en $B$.

Ejemplo: Retomamos los conjuntos:

\[ A=\left\{0,1, 2, 3, 4\right\} \]
\[ B=\left\{0, a,b,c,d,e\right\} \]

Si nosotros queremos obtener $A \setminus B$, al aplicar la definición anterior tenemos:

\[ A \setminus B=\left\{1,2,3,4 \right\} \]

Vemos que le hemos quitado los elementos a $A$ que tenía en común con $B$. Por lo que el diagrama nos quedaría como:

Teorema: Sean $A$, $B$ y $C$ conjuntos. Tenemos que:

  1. Leyes conmutativas:
    • \[A \cup B = B \cup A\]
    • \[A \cap B = B \cap A\]
  2. Leyes asociativas:
    • \[A \cup (B\cup C) = (A \cup B)\cup C \]
    • \[A \cap (B\cap C) = (A \cap B)\cap C \]
  3. Leyes distributivas:
    • \[A \cap (B\cup C) = (A \cap B)\cup (A\cap C) \]
    • \[A \cup (B\cap C) = (A \cup B)\cap (A\cup C) \]
  4. \[ A\cup A= A\] \[A\cap A= A\]
  5. \[ A\subseteq A\cup B \] \[ A\cap B \subseteq A\]
  6. \[ A\cup \emptyset = A\] \[A\cap \emptyset= \emptyset\]
    • Nota.-$\emptyset$ denota al conjunto vacío: es aquel que no posee elementos.
  7. \[A \setminus (B\cap C) = (A \setminus B)\cup (A\setminus C) \]

Demostración:

1.Probaremos la igualdad $A \cup B = B \cup A$, así haciendo uso de la definición de igualdad de conjuntos, tenemos:

$A \cup B = B \cup A$ si y sólo si $A\cup B\subseteq B \cup A$ y $B\cup A\subseteq A\cup B$

Comencemos con $A\cup B\subseteq B \cup A$. Sea $x\in A\cup B$, por la definición de subconjunto queremos probar que $x\in B\cup A$.

Por definición de unión se sigue que $x \in B$ o $x\in A$.

Caso 1: Que $x \in B$.

Como $x \in B$ entonces $x \in B$ o $x \in A$. Así, por la definición de unión concluimos que: $x\in B\cup A$.

Caso 2: Que $x \in A$.

Ahora como $x \in A$ entonces $x \in A$ o $x \in B$. Y como el conectivo «o» es conmutativo tenemos: $x \in A$ entonces $x \in B$ o $x \in A$. Así, por la definición de unión concluimos que: $x\in B\cup A$.

Del Caso 1 y Caso 2 concluimos que: $x\in B\cup A$. Por lo tanto: $A\cup B\subseteq B \cup A$.

Ahora probemos la segunda contención: $B\cup A\subseteq A\cup B$. Sea $x\in B\cup A$, así lo que queremos probar es $x\in A\cup B$.

Por definición de unión se sigue que $x \in B$ o $x\in A$.

Caso 3: Que $x \in B$.

Como $x \in B$ entonces $x \in B$ o $x \in A$. Y como el conectivo «o» es conmutativo tenemos: $x \in B$ entonces $x \in A$ o $x \in B$. Así, por la definición de unión concluimos que: $x\in A\cup B$.

Caso 4: Que $x \in A$.

Ahora como $x \in A$ entonces $x \in A$ o $x \in B$. Así, por la definición de unión concluimos que: $x\in A\cup B$.

Del Caso 3 y Caso 4 concluimos que: $x\in B\cup A$. Por lo tanto: $B\cup A\subseteq A\cup B$.

Por lo que finalmente probamos: $A\cup B = B \cup A$.

3. Probaremos sólo la igualdad $A \cup (B\cap C) = (A \cup B)\cap (A\cup C)$

Comenzaremos con probar la siguiente contención: $A \cup (B\cap C)\subseteq (A \cup B)\cap (A\cup C)$. Así tomemos $x\in A \cup (B\cap C)$, queremos demostrar que $x\in (A \cup B)\cap (A\cup C)$.

Caso 1: Que $x\in A$
Así tenemos que se cumple:
\begin{align}
x \in A\vee x\in B &\Rightarrow x\in A\cup B
\end{align}
Y que también sucede que:
\begin{align}
x \in A\vee x\in C &\Rightarrow x\in A\cup C
\end{align}
En (1) y (2) aplicamos la propiedad de adición para la disyunción y la definición de la unión. Por lo que concluimos al aplicar la definición de la intersección en (3):
\begin{align}
x\in A\cup B \wedge x\in A\cup C \Rightarrow x\in (A\cup B) \cap (A\cup C)
\end{align}

Caso 2: Que $x \in B\cap C$
Así por definición de intersección, tenemos que:
\begin{align}
x\in B \wedge x\in C &\Rightarrow (x\in B \wedge x\in C) \vee x\in A\\
&\Rightarrow (x\in B \vee x\in A) \wedge (x\in C \vee x \in A)\\
&\Rightarrow x\in B\cup A \wedge x\in C\cup A\\
&\Rightarrow x\in A\cup B \wedge x\in A\cup C\\
&\Rightarrow x\in (A\cup B) \cap (A\cup C)\\
\end{align}
Aplicamos en (4) la adición con la disyunción; para (5) usamos las Leyes distributivas de los conectivos disyunción y conjunción; para (6) y (7) aplicamos la unión y su propiedad conmutativa. Finalizamos aplicando en (8) la definición de intersección.


Por (3) y (8) de los Casos 1 y 2, podemos concluir que: $A \cup (B\cap C)\subseteq (A \cup B)\cap (A\cup C)$.

Ahora probaremos la contención: $(A \cup B)\cap (A\cup C)\subseteq A \cup (B\cap C)$.
Tomamos $ x\in (A \cup B)\cap (A\cup C)$. Así por definición de intersección, tenemos que:
\begin{align}
x\in (A \cup B) \wedge x \in (A\cup C) &\Rightarrow (x\in A \vee x\in B) \wedge (x \in A\vee x\in C)\\
&\Rightarrow x\in A \vee (x \in B \wedge x\in C)\\
&\Rightarrow x\in A \vee x \in B\cap C\\
&\Rightarrow x\in A \cup (B \cap C)
\end{align}
Vemos que (9) se sigue de la definición de unión. En (10) utilizamos las leyes distributivas de la disyunción con la conjunción; para (11) aplicamos la definición de intersección para $B$ y $C$.
Y por último en (12) aplicamos la definición de unión para $A$ y $B\cup C$

Así concluimos que: $A \cup (B\cap C) = (A \cup B)\cap (A\cup C)$

.
$\square$

Notación: El símbolo «$\Rightarrow$» se lee como «entonces».

Tarea moral

  • Realiza la demostración de la siguiente Ley distributiva: $A \cap (B\cup C) = (A \cap B)\cup (A\cap C)$.
  • Prueba que $A \setminus (B\cap C) = (A \setminus B)\cup (A\setminus C)$
  • Determina si es verdadero o falso, argumenta tu respuesta:
    • Si $x\in A$ y $A\subseteq B$, sucede que $x\in B$.
    • Si $x\in A$ y $A\in B$, sucede que $x\in B$.
    • Si tenemos $A$ y $B$ conjuntos, sucede siempre que $A\setminus B = B \setminus A$

Más adelante

Ahora que hemos terminado con el repaso de los conceptos básicos de Teoría de Conjuntos. En la siguiente entrada veremos el método de demostración llamado: Inducción matemática, el cuál será utilizado frecuentemente en los diferentes cursos a lo largo de tu preparación profesional.

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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 los números naturales 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 $n\neq0$, entonces 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.

$\square$

Consideremos un número natural y ocupemos este resultado para examinarlo como conjunto. Para no hacer la notación muy larga, veamos como ejemplo al $4$. 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.

$\square$

Conjuntos transitivos y un ejemplo

Nota que la propiedad de un conjunto $X$ si $y\in X$ entonces $y\subseteq X$, es equivalente a la propiedad de que si $z\in y\in X$ entonces $z\in X$. 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 lado, por hipótesis de inducción, $n\subseteq\mathhbb{N}$. Concluimos entonces, como queríamos, que $\sigma(n)\subseteq \mathhbb{N}$.

$\square$

Nota que el teorema inicial de la sección es un refinamiento de este teorema. No sólo nos dice que los números naturales están contenidos en $\mathhbb{N}$. Además, también especifica quiénes son los elementos de $n$.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios y problemas te ayudarán a reforzar lo aprendido en esta entrada.

  • 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 elementos. 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: La construcción de los naturales

Introducción

En la entrada pasada presentamos los axiomas de Peano como una forma de abordar el problema de por qué los naturales se comportan como nuestra intuición nos indica. Sin embargo, también vimos que esta solución no respondía la pregunta de por qué existen los naturales dentro de la formalización matemática con la que estamos trabajando. Por esta razón, introdujimos la definición del sucesor de un conjunto arbitrario y empezamos a iterarla en el conjunto vacío para generar una lista de conjuntos, que relacionamos con los números naturales que conocemos.

Por último, notamos que ocupar esta idea, al menos de forma directa, nos llevaría al problema de nunca acabar de definir a todos los números naturales y, por lo tanto, no poder definir en sí el conjunto de los naturales.  Es por eso que en esta entrada acabaremos, de una vez por todas, con el problema de definir con precisión el conjunto de números naturales y ver que, en efecto, esta construcción que haremos se apega a no sólo a nuestra intuición, sino también a los axiomas de Peano.

Conjuntos inductivos

Antes de empezar con la tarea de definir a los números naturales, recordamos la definición del sucesor de un conjunto.

Definición: Si $A$ es un conjunto, definimos el sucesor de $A$, como $\sigma(A):=A\cup \{A\}$.

Como mencionamos en las notas pasadas, buscamos que \[\mathbb{N}=\{\emptyset,\sigma(\emptyset),\sigma(\sigma(\emptyset)),…\},\] por lo que $\mathbb{N}$, satisfaría dos propiedades que englobamos en la siguiente definición.

Definición: Diremos que un conjunto $S$ es inductivo si cumple que:

  1. $\emptyset\in\mathbb{N}$ y
  2. si $X\in S$, entonces $\sigma(X)\in S$.

Notemos que estas dos propiedades son muy similares a los dos primeros axiomas de Peano.

Hay que remarcar que aunque no sabemos que exista un conjunto tal que sus elementos son $\emptyset,\sigma(\emptyset),\sigma(\sigma(\emptyset)),…$, en caso de que sí existiera, sería un hecho que tal conjunto sería inductivo.

Otro posible ejemplo de un conjunto inductivo podría verse como \[\{…\sigma(\sigma(\{\{\emptyset\}\})), \sigma(\{\{\emptyset\}\}), \{\{\emptyset\}\},\emptyset,\sigma(\emptyset),\sigma(\sigma(\emptyset)),…\}.\] Intuitivamente podemos notar que si $S$ es un conjunto inductivo, entonces, $\mathbb{N}\subset S$, por lo que uno podría aventurarse y definir a los naturales como $\{x:  x \text{ está en todo conjunto inductivo}\}$. Sin embargo, los axiomas que de teoría de conjuntos que tenemos hasta ahora no nos permiten saber si existe un conjunto así.

A pesar de que como se dijo, el hacer esto no es correcto, la idea es muy interesante y útil, ya que motiva la siguiente proposición acerca de la intersección de conjuntos inductivos.

Proposición: Si $B\neq\emptyset$ es un conjunto tal que todos sus elementos son inductivos, entonces $\bigcap {B}$ es también un conjunto inductivo.

Demostración. Como $B\neq\emptyset$, sabemos que la intersección sí es un conjunto. Veamos que este conjunto es inductivo.

Antes de hacer esto recordemos que por definición, los elementos de $\bigcap{B}$ son precisamente, todos los $x$ tales que $x\in Y$ para todo $Y\in B$.

Para ver que $\bigcap B$ es inductivo, necesitamos verificar que cumpla las dos características de la definición:

  1. $\emptyset\in\bigcap B$: Sea $Y\in B$ arbitrario, como los elementos de $B$ son inductivos, $\emptyset\in Y$, y como $Y$ es arbitrario, podemos concluir que $\emptyset$ está en todos los elementos de $B$, pero esta es la definición de que $\emptyset\in \bigcap B$.
  2. $x\in \bigcap B \Rightarrow \sigma(x)\in \bigcap B$: Sea $x\in \bigcap B$, veamos que $\sigma(x)\in \bigcap B$. Sea $Y\in B$, como $x\in\bigcap B$, entonces $x\in Y$ y como $Y$ es inductivo, $\sigma(x)\in Y$. De nuevo, como $Y$ es arbitrario, se sigue que $\sigma(x)$ está en todos los elementos de B, por lo que $\sigma(x)\in\bigcap B$.

Con esto demostramos que $\bigcap B$ es inductivo.

$\square$

En otras palabras, «la intersección arbitraria de conjuntos inductivos es un conjunto inductivo».

El axioma del infinito

Por todo lo escrito anteriormente, y meditando el hecho de que si partimos de los primeros axiomas de la teoría de conjuntos, sólo podemos crear conjuntos con una cantidad finita de elementos, parece ser que la existencia de un conjunto como los naturales, no podrá ser deducida con las herramientas que tenemos. Esto en efecto es así. Por ello, debemos introducir un nuevo axioma de la teoría de conjuntos.

Axioma del infinito: Existe un conjunto inductivo.

El axioma del infinito no nos garantiza inmediatamente la existencia de $\mathbb{N}$, ya que como se vio en el ejemplo, $\mathbb{N}$ no es el único conjunto inductivo. Sin embargo, esta es la última pieza que necesitamos para poder construir a los naturales. Hacemos esto a continuación.

Sea $A$ algún conjunto inductivo (que nos garantiza el axioma del infinito), y consideremos $B=\{X\subset A \mid X \text{ es inductivo}\}$ (¿por qué B es un conjunto?). Notemos que $A\in B$ por lo que $B$ es no vacío, por lo tanto, podemos pensar en su intersección, $\bigcap B$. Como los elementos de $B$ son conjuntos inductivos, por la proposición anterior concluimos que $\bigcap B$ es inductivo. A esta intersección la denotaremos como $\mathbb{N}_{A}$. ¡Ya apareció por primera vez el símbolo de números naturales! Pero tiene algo adicional: usamos un subíndice $A$ ya que a primera vista, su construcción depende del conjunto inductivo $A$ con el que empezamos. Sin embargo, justamente, el paso siguiente será ver que $\mathbb{N}_{A}$ no depende de $A$.

Para ello, primero hacemos la observación de que si $Y\subset A$ es inductivo, entonces $\mathbb{N}_{A}\subset Y$, la cual te dejamos corroborar usando las propiedades de la intersección. Dicho esto, probamos lo siguiente.

Proposición: Si $C$ es otro conjunto inductivo, entonces $\mathbb{N}_{A}= \mathbb{N}_{C} $.

Demostración. Consideremos $\mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C} $, el cual sabemos que es un conjunto inductivo. Como $\mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C} \subset A$, por la observación anterior, concluimos que $\mathbb{N}_{A} \subset \mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C} $. Como la intersección está contenida en cada intersecando, $\mathbb{N}_{A} \subset \mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C}\subset\mathbb{N}_{A} $, por lo que $\mathbb{N}_{A} = \mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C} $. Haciendo las mismas observaciones para $\mathbb{N}_{C}$, concluimos que $\mathbb{N}_{A} = \mathbb{N}_{A} \cap \mathbb{N}_{C}= \mathbb{N}_{C} $, con lo que concluimos la prueba.

$\square$

Como sabemos ahora que el conjunto $\mathbb{N}_{A}$ no depende del conjunto $A$ inductivo con el que empecemos, finalmente podemos definir al conjunto de números naturales.

Definición: Si $A$ es algún conjunto inductivo, definimos $\mathbb{N}:=\mathbb{N}_{A}$, definimos $0:=\emptyset$ y la función sucesor como $\sigma:\mathbb{N}\to \mathbb{N}$ tal que $\sigma(n)=n\cup \{n\}$.

Un modelo para los axiomas de Peano

Para concluir esta entrada veremos que los números naturales que hemos construido en la sección anterior se comportan justo como dicen nuestra intuición y los axiomas de Peano. En realidad, la construcción de la función sucesor y del conjunto $\mathbb{N}$ fue siempre motivada por estas ideas, por lo que no deberá ser difícil probar que en verdad todo funciona como queremos.

Teorema: El conjunto $\mathbb{N}$ junto con $0$ y $\sigma$, satisfacen los cinco axiomas de Peano.

Demostración. Veamos que se verifican los cinco axiomas de Peano.

$0\in\mathbb{N}$: como $\mathbb{N}$ es inductivo, $0=\emptyset\in\mathbb{N}$.

Si $n\in \mathbb{N}$, entonces $\sigma(n)\in\mathbb{N}$: Si $n\in\mathbb{N}$, como $\mathbb{N}$ es inductivo, se sigue que $\sigma(n)\in\mathbb{N}$.

Para toda $n\in\mathbb{N}$ se tiene que $\sigma(n)\neq 0$: Como $\sigma(n)=n\cup\{n\}$, tenemos que $n\in\sigma(n)$ por lo que $\sigma(n)\neq\emptyset=0$.

Si $\sigma(n)=\sigma(m)$, entonces $n=m$: Como $\sigma(n)=\sigma(m)$ y $n\in\sigma(n)$, $n\in\sigma(m)= m\cup\{m\}$, de donde $n\in\{m\}$ o $n\in m$. Si $n\in \{m\}$, entonces $n=m$ y concluimos.

Si $n\in m$, veamos que podemos decir de m, procediendo análogamente, podemos notar que $m=n$ o $m\in n$, en el primer caso, llegamos a lo que queremos, si se da el segundo caso habremos demostrado que $n\in m\in n$ lo cual contradice el axioma de Regularidad.

Si $S\subset\mathbb{N}$ tal que $0\in S$ y $n\in S \Rightarrow \sigma(n)\in S$, entonces $S=\mthbb{N}$: Notemos que las hipótesis de $S$, implican que este es un conjunto inductivo, por lo que $\mathbb{N}=\mathbb{N}_{S}\subset S\subset \mathbb{N}$ por lo que en efecto, ambos conjuntos son iguales.

$\square$

Notemos que todos los axiomas salieron de forma casi inmediata de la definición de $\mathbb{N}$ o de la definición de $\sigma$, justo como esperábamos.

Tarea moral

  • Completa los detalles sobre por qué el conjunto $B$, de los conjuntos inductivos de $A$, sí existe. Necesitarás usar un axioma muy específico de la teoría de conjuntos.
  • Demuestra que si $x\subset y\subset\sigma(x) $, entonces $y=x$ o $y=\sigma(x)$.
  • Si aún no estás tan acostumbrado a las intersecciones arbitrarias, considera la definición de $\mathbb{N}’:=\{x\in A:  x \text{ está en todo conjunto inductivo}\}$ ¿Cómo se relaciona el axioma del Infinito, con el hecho de que esto sí es un conjunto?
  • Esboza una demostración de que $\mathbb{N}’=\mathbb{A}$.
  • Usa el Principio de Inducción para demostrar que si $n\neq 0$, entonces $n=\{0, 1, 2, …, n-1\}$.

Más adelante…

Ya que construimos a los números naturales, y vimos que en verdad funcionan como esperábamos, nuestro siguiente objetivo, será definir una suma, un producto y un orden en este conjunto. Así como lo hicimos con los axiomas de Peano, veremos que nuestras definiciones coincidirán con las propiedades que conocemos.

Para hacer esto seguiremos pensando en la definición conjuntista que hemos dado de los naturales y no sólo en los axiomas de Peano. Aunque sí nos basaremos fuertemente en ellos, sobre todo en el quinto axioma. A este lo conocemos como principio de inducción y tendrá su mayor aplicación a la hora de demostrar el teorema de la recursión, el cual a su vez la herramienta que tendremos para definir la suma y producto en los naturales.

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Álgebra Superior II: Introducción al curso y a los números naturales

Introducción

El curso de Álgebra Superior I tuvo como principal objetivo darte las herramientas necesarias para poder entender a grandes rasgos, la teoría que sustenta las primeras asignaturas con las que te encuentras a nivel universitario en tu trayectoria matemática. Por esta razón, en el temario se incluyeron los temas de lógica, teoría de conjuntos, inducción matemática y espacios vectoriales. Sin embargo, quedaron abiertas algunas preguntas, por ejemplo: ¿cómo sabemos que los conjuntos con los que trabajamos existen?, ¿qué es en el fondo el conjunto de números reales que usamos en los espacios vectoriales? o ¿por qué funciona el principio de inducción?

En este sentido, el curso de Álgebra Superior II es la continuación de Álgebra Superior I, ya que el objetivo de este curso será responder estas preguntas que el anterior semestre quedaron sin responder. Con esto en mente, usaremos las herramientas de la teoría de conjuntos que desarrollamos con anterioridad para estudiar qué son los números naturales, los enteros y hasta los complejos. Haremos una escala en cada tema para poder entender a profundidad las características con las que hemos estado familiarizados desde antes de la carrera y conocer otras propiedades que te servirán a lo largo de tu Licenciatura.

En la parte final del curso, introduciremos otras estructuras con las que seguramente ya estarás familiarizado gracias al curso de Cálculo Diferencial e Integral I: el anillo de polinomios con coeficientes reales (o complejos). Como en el caso de los temas anteriores, nos detendremos a estudiar las propiedades que caracterizan a este conjunto y las similitudes que podemos encontrar con algunos de los sistemas numéricos, como los números enteros.

La intuición detrás de formalizar a los números naturales

Seguramente, desde la primaria aprendiste a contar y con el pasar del tiempo, la idea de los números naturales y las características que se necesitan para contar “de uno en uno” se han hecho muy familiares en tu mente. A grandes rasgos, cuando contamos tenemos mente a los números $$0,1,2,3,4,5,6,7,\ldots.$$ De hecho, las propiedades de estos números probablemente son tan familiares que ya no reparas en ello a la hora de contar. Al cero le sigue el uno. Al uno le sigue el dos. Y así sucesivamente. Esto resulta práctico a la hora de contar, pero algo impráctico a la hora de establecer fundamentos matemáticos de los números naturales. Por esta razón, tomémonos un momento para pensar en las propiedades que satisface este sistema numérico.

La primera característica en la que podemos pensar es que los números naturales cuentan con un elemento especial de entre todos los demás números, el primero de todos ellos. Dependiendo del contexto, el $0$ (y no el $1$) es considerado como el primer número natural y coincide con la intuición de que podemos «tener cero cosas», es decir, ninguna. Es importante que sepas que en cierto contextos (por ejemplo, otros cursos o áreas de las matemáticas) podría no serlo. La recomendación es que siempre uses la convención del área o comunidad con la que estés trabajando. En este curso el número $0$ siempre será un número natural.

Otra característica con la que seguramente estamos muy familiarizados es que si bien los números naturales tienen un comienzo (en nuestro caso, el $0$), por otra parte nunca terminan. No importa hasta qué número podamos haber contado, siempre podemos dar un paso más y avanzar al siguiente número. Cuando tenemos un natural, decimos entonces que siempre tiene un sucesor a este último número. Sabemos que sólo hay un sucesor para cada número.

Otra característica clave de los números naturales es que, a la hora de contar, nunca regresamos a un número por el cual ya pasamos; es decir, bajo ninguna circunstancia contamos $107, 108, 109, 37,…$. Para enunciar esto formalmente, lo diremos en dos partes. Primero, el $0$ no es el sucesor de ningún número y segundo, en ninguna circunstancia, un número es el sucesor de dos números diferentes.

Existe una quinta propiedad, tal vez más sutil que las anteriores, y es que si empezamos a contar desde el cero y vamos contando de uno en uno, entonces podremos alcanzar cualquier número natural, siempre que el tiempo lo permita.

Resulta que estas propiedades intuitivas son suficientes para definir muchas otras operaciones en los números naturales y para obtener una gran cantidad de propiedades. Es por esta razón que conviene incluirlas en nuestra formalización de los naturales, como discutimos a continuación.

Los axiomas de Peano

 A finales del siglo XIX, los matemáticos empezaron a notar que a partir de algunas propiedades tan elementales como las que discutimos arriba, se podían probar las leyes de la aritmética que conocemos, y en 1889, Giuseppe Peano, basado en las propiedades que acabamos de enunciar, dio un conjunto de axiomas que usó para estudiar sistemáticamente a los números naturales. Estos axiomas son:

  1. $0$ es un número natural.
  2. Si $n$ es un número natural, entonces existe un único natural, denotado $\sigma(n)$ al que llamamos su sucesor.
  3. Para todo número natural, $\sigma(n)\neq0$.
  4. Si $n,m$ son números naturales, tales que $\sigma(n)=\sigma(m)$, entonces $n=m$.
  5. Si $S$ es un subconjunto de números naturales tal que: $0$ está en $S$, y para todo $n$ en $S$, se cumple que $\sigma(n)$ está también en $S$, entonces $S$ es el conjunto de todos los naturales.

Nota que cada una de las cinco propiedades coinciden con una de las propiedades intuitivas que mencionamos antes.

Encontrando los primeros naturales

El logro de Peano fue muy importante, ya que permitió reducir la teoría de los números naturales a solo cinco axiomas; sin embargo, aún quedan abiertas las preguntas ¿qué son los números naturales? y ¿cómo sabemos que existen? Aunque se hayan mencionado las propiedades de un objeto, no necesariamente tiene que existir tal objeto. Este fue el gran problema al que se enfrentaron los matemáticos cuanto intentaron definir a un conjunto al que pertenecen todos los conjuntos.

Es por esta razón que debemos fundamentar la construcción de los números naturales en teoría que ya tengamos desarrollada. Por esta razón, a partir de este punto se aparece la teoría de los conjuntos, la cual nos permitirá definir formalmente lo que significan los símbolos que diariamente ocupamos (como el $0$), para después ver que en efecto estos conjuntos satisfacen los axiomas de Peano.

Definición: $0:=\emptyset$.

Cuando ponemos $:=$, quiere decir que estamos definiendo algo, típicamente un símbolo. Cuando veas algo así aparecer, puedes pensar que significa «esta es la primera vez que usamos el símbolo $0$, y lo que querrá decir es el conjunto vacío». Podemos pensar en esta definición como una simple ocurrencia de notación; sin embargo, es curioso notar que, pensando intuitivamente, $\emptyset$ tiene en efecto cero elementos. Más adelante veremos que los demás números naturales también satisfacen esta intuitiva coincidencia.

Definición: Dado un conjunto $A$ arbitrario, definimos el sucesor de $A$ como $\sigma(A):=A\cup\{A\}$.

Notemos que en realidad $\sigma$ no es en el sentido estricto una función ¿por qué? Más bien, lo que estamos haciendo es explicar a qué nos referimos con el símbolo $\sigma(A)$.

Considerando que hemos construido el primer número natural (el $0$) y hemos dado una forma de construir sucesores, parece una buena idea considerar \[\sigma(0)=\sigma(\emptyset)=\emptyset\cup\{\emptyset\}=\{\emptyset\}\]

Y definir $1:= \{\emptyset\}$, análogamente podemos pensar que \[2:=\sigma(1)=\sigma(\{\emptyset\})=\{\emptyset\}\cup\{\{\emptyset\}\}=\{\emptyset,\{\emptyset\}\}\]

Y continuar así, efectivamente, estos conjuntos coinciden con la intuición de tener respectivamente $1$ y $2$ elementos.

Los «disfraces» de los números naturales

Actualmente usamos el sistema de numeración arábigo y sabemos exactamente qué quieren decir los «dibujos» $1$, $2$, $3$, $4$, etc. Si fueramos romanos, estaríamos usando los «dibujos» $I$, $II$, $III$, $IV$, etc. De manera estricta, los «dibujos» no son lo mismo que «el concepto que representan». Es decir, en el fondo, $2$ y $II$ son «disfraces distintos para el mismo concepto». Pero ninguno de esos «dibujos» es el concepto mismo, ni vive de manera formal en la teoría que estamos construyendo.

Lo que sí vive en la teoría que construimos es el $\{\emptyset,\{\emptyset\}\}$, pues a partir de los axiomas se puede garantizar su existencia. Por supuesto, en el curso usaremos los «disfraces» habituales de estos conceptos, de modo que casi siempre escribiremos $2$, $7$, $51$, etc. Sin embargo, es crucial que en todo momento tengas en cuenta que cuando escribimos esos «dibujos», en el fondo están las construcciones formales que hemos estado realizando.

Tarea Moral

  • Prueba a partir de sólo los axiomas de Peano, que $n\neq \sigma (n) $ para todo $n\in\mathbb{N}$.
  • ¿Qué axiomas de Peano satisface el conjunto $\sigma(\mathbb{N})$, es decir, el conjunto de los números a partir del $1$?
  • ¿Cómo será un conjunto y una función que satisfagan los axiomas 1), 2), 4) y 5) de Peano, pero que no satisfaga el 3)? ¿Puedes construir formalmente un conjunto y una función así?
  • A partir de la definición de $\sigma(n)$ que dimos, demuestra que para todo número natural $n$ se satisface que $n\in\sigma(n)$ y que $n\subset\sigma(n)$.
  • Demuestra que si $A$ es un conjunto, entonces $\sigma(A)$ es un conjunto. Para ello, tendrás que recordar los axiomas de teoría de conjuntos.

Más adelante

Hemos empezado a definir a los números naturales a partir del $0$ (el conjunto vacío) y la función sucesor $\sigma$; sin embargo, la realidad es que el proceso que hemos descrito debe ser refinado, ya que si continuamos así, jamás acabaremos de definir la infinidad de números naturales que queremos que existan. Incluso asumiendo que los podemos definir a todos, un segundo problema que se origina es el intentar unirlos en un solo conjunto, justamente el conjunto de los números naturales. Uno podría intentar ocupar el principio de inducción para resolver el problema; sin embargo, recordemos que por el momento sólo contamos con los axiomas de la teoría de conjuntos, y aún no sabemos que el principio de inducción (visto como en álgebra superior I, o como axioma de Peano) sea válido. Entonces, necesitaremos pensar cómo resolver el problema desde otra perspectiva.

Más aún, queda el problema de ver que los número naturales que definamos sí satisfagan los axiomas de Peano, para que a partir de ello podamos comenzar a introducir otras propiedades aritméticas y de orden.

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