Luonnolliset luvut ( lat. naturalis "luonnollinen") - luvut , jotka syntyvät luonnollisesti laskettaessa (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ja niin edelleen [1] ). Kaikkien nousevaan järjestykseen järjestettyjen luonnollisten lukujen sarjaa kutsutaan luonnolliseksi sarjaksi [2] .
Luonnollisten lukujen joukko on ääretön, koska mille tahansa luonnolliselle luvulle on olemassa luonnollinen luku, joka on suurempi kuin . Negatiivisia ja ei-kokonaislukuja ei luokitella luonnollisiksi luvuiksi.
Luonnollisten lukujen ominaisuuksia ja operaatioita niiden kanssa tutkitaan aritmeettisella ja (syvemmin) lukuteorialla .
Primitiivisin tapa esittää luonnollinen luku on laittaa etiketti kutakin objektia laskettaessa. Myöhemmin joukon esineitä voidaan tarkistaa tasa-arvoisuuden, yli- tai puutteellisuuden varalta - poistamalla merkki ja poistamalla esine sarjasta. Ensimmäinen suuri edistysaskel abstraktiossa oli numeroiden käyttö luonnollisten lukujen merkitsemiseen. Tämä mahdollisti järjestelmien kehittämisen suurten numeroiden kirjoittamiseen. Muinaiset egyptiläiset kehittivät laajan numerojärjestelmän, jossa oli selkeät hieroglyfit 1:stä, 10:stä ja kaikista tehoista 10:stä yli 1 miljoonaan. Karnakista peräisin olevalla kivikaiverruksella , joka on peräisin noin vuodelta 1500 eaa. ja nyt Louvressa numero 276 on kuvattu 2 sadana, 7 kymmenenä ja 6 ykkösenä; ja vastaavasti numero 4622 [3] .
Paljon uudempi kehitys oli ajatuksen kehitys siitä, että nolla voitaisiin ajatella lukuna, jolla on oma numeronsa. Numeron 0 käyttö paikan osoittamisessa (muissa numeroissa) juontaa juurensa 700 eKr. babylonialaiset, jotka jättivät pois tällaisen numeron, kun se oli luvun [a] viimeinen merkki . Nollaa käytettiin lukuna keskiaikaisessa laskennassa (pääsiäisen päivämäärän laskeminen) alkaen Dionysios Exiguusista vuonna 525 jKr. Ilman sitä numeroa (normaali roomalaisessa numerossa ei ole symbolia 0:lle). Sen sijaan latia käytettiin merkitsemään nolla-arvoa. nulla (tai genitiivinen lat. nullae tarkoittaa "ei") [5] . Nollan käyttö nykyaikana sai alkunsa intialaisesta matemaatikko Brahmaguptasta vuonna 628 jKr.
Ensimmäinen systemaattinen lukujen abstraktiotutkimus on yleensä kreikkalaisten filosofien Pythagoras ja Archimedes ansioksi . Jotkut kreikkalaiset matemaatikot käsittelivät numeroa 1 eri tavalla kuin suuria lukuja, ja joskus eivät ollenkaan lukuna [b] . Esimerkiksi Euclid määritteli ensin yksikön olemuksen ja sitten luvun yksikköjoukoksi, joten hänen määritelmänsä mukaan yksikkö ei ole luku, eikä yksilöllisiä lukuja ole olemassa (esimerkiksi mitkä tahansa kaksi yksikköä määrittelemätön joukko yksiköitä ovat numero 2) [7] .
1800-luvun Euroopassa käytiin matemaattista ja filosofista keskustelua luonnollisten lukujen tarkasta luonteesta. Henri Poincaré oli yksi tällaisen käsitteen puolestapuhujista, kuten myös Leopold Kronecker , joka tiivisti uskomuksensa seuraavasti: " Jumala loi kokonaisluvut, kaikki muu on ihmisen työtä ." Tällainen käsite on määritelty naturalistiseksi [c] .
Toisin kuin naturalistit , konstruktivistit näkivät tarpeen parantaa matematiikan perusteiden loogista perustaa. 1860-luvulla Hermann Grassmann ehdotti luonnollisten lukujen rekursiivista määritelmää, mikä totesi, että ne eivät ole täysin luonnollisia vaan seurausta määritelmistä. Lisäksi muodostettiin kaksi tällaisten muodollisten määritelmien luokkaa; ne osoittautuivat myöhemmin vastaaviksi useimmissa käytännön sovelluksissa.
Frege aloitti luonnollisten lukujen joukkoteoreettiset määritelmät. Aluksi hän määritteli luonnollisen luvun kaikkien joukkojen luokkaksi, jotka ovat yksi-yhteen-vastaavuus tietyn joukon kanssa. Tämä määritelmä on kuitenkin johtanut paradokseihin, mukaan lukien Russellin paradoksi . Tällaisten paradoksien välttämiseksi formalismia muutettiin siten, että luonnollinen luku määritellään tietyksi joukoksi, ja jokaisella joukolla, joka voidaan asettaa yksi-yhteen vastaavuuteen tämän joukon kanssa, sanotaan olevan tämä määrä alkioita. [9] .
Toisen määritelmien luokan esitteli Charles Sanders Peirce , jalosti Richard Dedekind ja tutki Giuseppe Peano – tätä lähestymistapaa kutsutaan nykyään Peanon aksioomiksi . Se perustuu järjestyslukujen ominaisuuksien aksiomatisointiin: jokaisella luonnollisella luvulla on seuraaja ja jokaisella nollasta poikkeavalla luonnollisella luvulla on ainutlaatuinen edeltäjä. Peano-aritmetiikka vastaa useita heikkoja joukkoteoriajärjestelmiä. Yksi tällainen järjestelmä on Zermelo-Fraenkel (ZFC) -järjestelmä, jossa äärettömyyden aksiooma korvataan sen negaatiolla. Lauseista, jotka voidaan todistaa ZFC :ssä, mutta joita ei voida todistaa Peanon aksioomilla , ovat Paris-Harringtonin lause, Goodsteinin lause ja muut [10] .
Tämän määritelmien perusteella on kätevää sisällyttää nolla (vastaa tyhjää joukkoa) luonnolliseksi luvuksi. Nollan sisällyttäminen on nykyään yleistä joukkoteorian [11] ja loogisten konstruktien [12] joukossa .
Luonnollisten lukujen määrittelyyn on kaksi lähestymistapaa:
Ensimmäisessä tapauksessa luonnollisten lukujen sarja alkaa yhdestä , toisessa - nollasta . Useimmilla matemaatikoilla ei ole yhteistä mielipidettä ensimmäisestä vai toisesta lähestymistavasta (eli siitä, pitääkö nolla luonnollisena lukuna vai ei). Suurimmassa osassa venäläisistä lähteistä ensimmäinen lähestymistapa on perinteisesti omaksuttu [13] . Toinen lähestymistapa on esimerkiksi otettu Nicolas Bourbakin kirjoituksista , joissa luonnolliset luvut määritellään äärellisten joukkojen kardinaalisuuksiksi . Nollan läsnäolo helpottaa monien luonnollisten lukujen aritmeettisten lauseiden muotoilua ja todistamista, joten ensimmäinen lähestymistapa esittelee hyödyllisen käsitteen laajennetusta luonnollisesta sarjasta, joka sisältää nollan [13] .
Kaikkien luonnollisten lukujen joukko merkitään yleensä symbolilla . Kansainväliset standardit ISO 31-11 (1992) ja ISO 80000-2 (2009) sisältävät seuraavat nimitykset [14] :
Sama kuin ISO:ssa, luonnollisten lukujen joukon merkintä on vahvistettu venäläisen GOST 2011:n R 54521-2011 taulukossa 6.1 [15] . Tästä huolimatta venäläisissä lähteissä tätä standardia ei vielä noudateta - niissä symboli tarkoittaa luonnollisia lukuja ilman nollaa, ja laajennettu luonnollinen sarja on merkitty jne. [13]
Joukkoa kutsutaan luonnollisten lukujen joukoksi, jos jokin alkio 1 (yksi), funktio , jonka määritelmäalue on peräkkäisfunktio ( ), on kiinteä ja seuraavat ehdot täyttyvät:
Yllä olevat aksioomit heijastavat intuitiivista ymmärrystämme luonnollisesta sarjasta ja lukujonosta .
Perusasia on, että nämä aksioomit määrittävät olennaisesti yksiselitteisesti luonnolliset luvut (Peanon aksioomijärjestelmän kategorisuus). Voidaan nimittäin todistaa (ks. [16] , sekä lyhyt todiste [17] ), että jos ja on kaksi mallia Peanon aksioomien järjestelmälle, niin ne ovat välttämättä isomorfisia , eli on olemassa käännettävä kartoitus ( bijektio ) sellaisenaan ja kaikille .
Siksi riittää , että määritetään luonnollisten lukujen joukon yhdeksi tietyksi malliksi.
Joskus, varsinkin ulkomaisessa ja käännöskirjallisuudessa, Peanon ensimmäinen ja kolmas aksiooma korvaavat yhden nollalla. Tässä tapauksessa nollaa pidetään luonnollisena lukuna. Kun nolla määritellään ekvivalenttien joukkojen luokilla, se on määritelmän mukaan luonnollinen luku. Olisi luonnotonta hylätä se erikseen. Lisäksi tämä vaikeuttaisi huomattavasti teorian jatkokonstruointia ja soveltamista, koska useimmissa konstruktioissa nolla, kuten tyhjä joukko, ei ole jotain eristettyä. Toinen etu nollan pitämisestä luonnollisena lukuna on, että se muodostaa monoidin tehdessään niin . Kuten edellä mainittiin , venäläisessä kirjallisuudessa nolla on perinteisesti jätetty luonnollisten lukujen ulkopuolelle.
Joukkoteorian mukaan ainoa matemaattisten järjestelmien rakentamisen kohde on joukko .
Siten luonnolliset luvut otetaan käyttöön myös joukon käsitteen perusteella kahden säännön mukaisesti:
Tällä tavalla annettuja lukuja kutsutaan järjestysluvuiksi .
Kuvataan muutama ensimmäinen järjestysluku ja niitä vastaavat luonnolliset luvut:
Äärillisen joukon alkioiden lukumäärän yleistäminen äärettömiksi joukoiksi on ominaista " joukon potenssin " käsitteellä . Kardinaalisuuden kannalta luonnollisten lukujen joukko on suurempi kuin mikä tahansa äärellinen joukko, mutta pienempi kuin mikä tahansa väli , esimerkiksi . Luonnollisten lukujen joukko vastaa rationaalilukujen joukkoa . Joukkoa, joka vastaa luonnollisten lukujen joukkoa, kutsutaan laskettavaksi joukoksi . Siten minkä tahansa sekvenssin termien joukko on laskettavissa. Samaan aikaan on olemassa sekvenssi, jossa jokainen luonnollinen luku esiintyy äärettömän monta kertaa, koska luonnollisten lukujen joukko voidaan esittää hajautettujen laskettavien joukkojen laskettavana liittona (esim. [18] , ).
Luonnollisten lukujen suljetut operaatiot (operaatiot, jotka eivät tuota tulosta luonnollisten lukujen joukosta) sisältävät seuraavat aritmeettiset operaatiot :
Lisäksi otetaan huomioon kaksi muuta operaatiota (muodollisesta näkökulmasta ne eivät ole luonnollisten lukujen operaatioita, koska niitä ei ole määritelty kaikille lukupareille (joskus niitä on olemassa, joskus ei)):
On huomattava, että yhteen- ja kertolaskuoperaatiot ovat perustavanlaatuisia. Erityisesti kokonaislukujen rengas määritellään tarkasti yhteen- ja kertolaskuoperaatioiden kautta .
Lisäys muuttaa luonnollisten lukujen joukon puoliryhmäksi , jossa on yksikkö, yksikön roolia esittää 0 . Kertominen muuttaa myös luonnollisten lukujen joukon puoliryhmäksi, jossa on yksikkö, jossa 1 on identiteettielementti . Sulkemisen avulla yhteenlasku-vähennys- ja kerto-jakolaskuoperaatioiden avulla saadaan kokonaislukujen ja rationaalisten positiivisten lukujen ryhmät, vastaavasti.
Käytetään luonnollisten lukujen määritelmää äärellisten joukkojen ekvivalenssiluokina . Jos määritämme bijektioilla generoidun joukon A ekvivalenssiluokan hakasulkeilla: [ A ], aritmeettiset perusoperaatiot määritellään seuraavasti:
missä:
Voidaan osoittaa, että tuloksena olevat luokkien operaatiot on tehty oikein, eli ne eivät ole riippuvaisia luokkaelementtien valinnasta ja ovat yhtäpitäviä induktiivisten määritelmien kanssa.
Sanakirjat ja tietosanakirjat | ||||
---|---|---|---|---|
|
Numeeriset järjestelmät | |
---|---|
Laskettavat sarjat |
|
Reaaliluvut ja niiden laajennukset |
|
Numeeriset laajennustyökalut | |
Muut numerojärjestelmät | |
Katso myös |
Kokonaisluvut | |||
---|---|---|---|
| |||
|