Riepilogo
Questa lezione definisce la somma, il prodotto e la potenza di numeri naturali a partire dal successore degli assiomi di Peano, con il teorema di ricorsione, che garantisce che le definizioni ricorsive determinano un’unica operazione; ne ammette la parte di esistenza, ne dimostra per induzione la parte di unicità e deduce le proprietà delle operazioni: commutatività, associatività, distributività e cancellazione. Definisce poi la relazione d’ordine mediante la somma, con le sue proprietà di tricotomia, transitività e monotonia, e le operazioni inverse, la sottrazione e la divisione, insieme alle condizioni in cui esistono. Il principio di induzione è lo strumento di tutte le dimostrazioni.
Obiettivi di apprendimento
- Enunciare il teorema di ricorsione e scrivere con esso le definizioni ricorsive della somma, del prodotto e della potenza di numeri naturali.
- Dimostrare per induzione proprietà delle operazioni a partire dalle loro definizioni.
- Definire l’ordine dei naturali mediante la somma e applicarne le proprietà di tricotomia, transitività e monotonia.
- Riconoscere quando esistono la sottrazione e la divisione di due naturali, e operare con esse senza uscire dai naturali.
La somma
Le operazioni con i numeri naturali sono note fin dalla scuola; qui si tratta di fondarle con precisione matematica. Nella lezione sugli assiomi di Peano i naturali sono stati definiti a partire dall’ e dall’operazione successore, che associa a ogni naturale il seguente, . La somma si definisce a partire dal successore mediante due regole: sommare è prendere il successore, e sommare il successore di è prendere il successore della somma con .
Una definizione di questo tipo si dice ricorsiva: la prima regola fissa il valore per e la seconda riconduce ogni caso al precedente. Ora, che due regole siffatte definiscano davvero un’operazione racchiude due affermazioni distinte: che esiste una funzione che le soddisfa per tutti i naturali (esistenza) e che non ci sono due funzioni distinte che le soddisfino (unicità). Entrambe formano il teorema di ricorsione, dovuto a Dedekind: questo corso ammette la parte dell’esistenza, come si spiega dopo il riquadro, e dimostra quella dell’unicità. Lo si enuncia in una forma generale perché serva anche al prodotto, alla potenza e alle definizioni ricorsive delle lezioni seguenti.
Fatto ammesso (teorema di ricorsione). Siano un insieme e un elemento di , e supponiamo data, per ogni naturale , una regola che associa a ogni elemento di un elemento di . Allora esiste una funzione da in tale che e per ogni naturale , e tale funzione è unica.
L’esistenza si ammette in questo corso senza dimostrazione. La sua dimostrazione richiede di costruire la funzione come un insieme di coppie: il più piccolo insieme di coppie che contiene e che, con ogni coppia , contiene ; e di verificare poi, per induzione, che a ogni naturale corrisponde in esso un unico secondo elemento. Tale costruzione appartiene alla teoria degli insiemi e non aggiunge nulla all’aritmetica che segue. L’unicità, invece, è una conseguenza diretta del quinto assioma di Peano.
Se due funzioni e da in soddisfano le due condizioni del teorema di ricorsione, allora sono uguali. La figura rappresenta i valori di entrambe sui primi naturali.
Dimostrazione
Sia l’insieme dei naturali in cui le due funzioni coincidono. Basta provare che è l’insieme di tutti i naturali.
L’ appartiene ad , perché entrambe le funzioni valgono in .
Se appartiene ad , vi appartiene anche : entrambe le funzioni applicano la stessa regola allo stesso valore.
Per il quinto assioma di Peano, è l’insieme di tutti i naturali: le due funzioni sono uguali.
La somma si ottiene dal teorema fissando il primo addendo e prendendo , e, per ogni , la regola che associa a ogni naturale il suo successore: la funzione fornita dal teorema è quella che associa a ogni il numero , e le due regole della somma sono le due condizioni del teorema. Allo stesso modo, con e la regola che somma , si ottiene il prodotto, e con e la regola che moltiplica per , la potenza. Sommare equivale, in definitiva, ad applicare volte il successore.
L’affermazione più nota dell’aritmetica è un teorema che si dimostra con le due regole della somma e i nomi , e .
Dimostrazione
Scriviamo il secondo addendo come successore di .
Per la seconda regola, sommare un successore è prendere il successore della somma.
Per la prima regola, sommare è prendere il successore.
Poiché e , si ottiene il risultato.
Dalle regole della somma si deducono, per induzione, le sue proprietà. Per tutti i naturali , e :
- Commutatività: .
- Associatività: . Per questo si può scrivere senza parentesi.
- Cancellazione: se , allora .
La commutatività è stata dimostrata nel problema risolto 5 della lezione sugli assiomi di Peano, e l’associatività vi è uno dei problemi proposti. La cancellazione si dimostra nel problema risolto 1 di questa lezione.
Caricamento del contenuto…