Аксиомы Пеано, метод математической индукции

План:

1. Из истории развития понятия числа.

2. Аксиоматический метод построения теории в математике.
Для школьной математики натуральное число является тем поняти­ем, с которого, как правило, начинается обучение. И уже в начальных классах учащиеся знакомятся с различными функциями натурального тела. Отвечая на вопрос: «Сколько машин изображено на рисунке?», они имеют дело с числом как количественной характеристикой множе­ства предметов. Производя счет предметов, используют натуральное число как характеристику порядка. В задачах, связанных с измерением величин, число выступает как значение величины при выбранной еди­нице, т.е. как мера величины. Большое внимание уделяется в начальном курсе математики и еще одной роли числа – как компоненту вычисле­ний. Таким образом, натуральное число имеет много функций, и многие из них должны быть поняты и усвоены уже младшими школьниками. Поэтому важной задачей учителя является овладение теми теориями, в которых обосновываются различные подходы к определению нату­рального числа и действий над числами.

В нашем курсе мы рассмотрим аксиоматическое определение сис­темы натуральных чисел, отвечающее на вопрос, что представляет собой число как элемент натурального ряда; затем построим ее теоретико-множественную модель и выясним, что представляет собой нату­ральное число как мера величины, и, наконец, изучим способы записи чисел и алгоритмы действий над ними.

§ 13. Из истории возникновения понятия натурального числа

Числа возникли из потребности счета и измерения и претерпели длительный путь исторического развития.

Было время, когда люди не умели считать. Чтобы сравнить конеч­ные множества, устанавливали взаимно однозначное соответствие между данными множествами или между одним из множеств и под­множеством другого множества, т.е. на этом этапе человек восприни­мал численность предметов без их пересчета. Например, о численности группы из двух предметов он мог говорить: «Столько же рук у человека», о множестве из пяти предметов – «столько же, сколь­ко пальцев на руке». При таком способе сравниваемые множества должны были быть одновременно обозримы.

В результате очень долгого периода развития человек пришел к следующему этапу создания натуральных чисел – для сравнения мно­жеств стали применять множества-посредники: мелкие камешки, ра­ковины, пальцы. Эти множества-посредники уже представляли собой зачатки понятия натурального числа, хотя и на этом этапе число не отделялось от сосчитываемых предметов: речь шла, например, о пяти камешках, пяти пальцах, а не о числе «пять» вообще. Названия мно­жеств-посредников стали использовать для определения численности множеств, которые с ними сравнивались. Так, у некоторых племен численность множества, состоящего из пяти элементов, обозначалась словом «рука», а численность множества из 20 предметов – словами «весь человек».

Только после того как человек научился оперировать множества­ми-посредниками, установил то общее, что существует, например, между пятью пальцами и пятью яблоками, т.е. когда произошло от­влечение от природы элементов множеств-посредников, возникло представление о натуральном числе. На этом этапе при счете, напри­мер, яблок, не перечислялись уже «одно яблоко», «два яблока» и т.д., а проговаривались слова «один», «два» и т.д. Это был важнейший этап в развитии понятия числа. Историки считают, что произошло это в каменном веке, в эпоху первобытнообщинного строя, примерно в 10-5 тысячелетии до н.э.

Со временем люди научились не только называть числа, но и обозначать их, а также выполнять над ними действия. Вообще нату­ральный ряд чисел возник не сразу, история его формирования дли­тельная. Запас чисел, которые употребляли, ведя счет, увеличивался постепенно. Постепенно сложилось и представление о бесконечности множества натуральных чисел. Так, в работе «Псаммит» – исчисле­ние песчинок – древнегреческий математик Архимед (III в. до н.э.) показал, что ряд чисел может быть продолжен бесконечно, и описал способ образования и словесного обозначения сколь угодно боль­ших чисел.

Возникновение понятия натурального числа было важнейшим мо­ментом в развитии математики. Появилась возможность изучать эти числа независимо от тех. конкретных задач, в связи с которыми они возникли. Теоретическая наука, которая стала изучать числа и дейст­вия над ними, получила название «арифметика». Слово «арифметика» происходит от греческого аrithmos, что значит «число». Следователь­но, арифметика – это наука о числе.

Арифметика возникла в странах Древнего Востока: Вавилоне. Китае. Индии и Египте. Накопленные в этих странах математические знания были развиты и продолжены учеными Древней Греции. В сред­ние века большой вклад в развитие арифметики внесли математики Индии, стран арабского мира и Средней Азии, а начиная с XIII века – европейские ученые.

Термин «натуральное число» впервые употребил в V в. римский ученый А.Боэций, который известен как переводчик работ известных математиков прошлого на латинский язык и как автор книги «О введении в арифметику», которая до XVI века была образцом для всей европейской математики.

Во второй половине XIX века натуральные числа оказались фун­даментом всей математической науки, от состояния которого зависела и прочность всего здания математики. В связи с этим появилась необ­ходимость в строгом логическом обосновании понятия натурального числа, в систематизации того, что с ним связано. Так как математика XIX века перешла к аксиоматическому построению своих теорий, то была разработана аксиоматическая теория натурального числа. Большое влияние па исследование природы натурального числа оказала и созданная в XIX веке теория множеств. Конечно, в созданных теориях понятия натурального числа и действий над ними получили большую абстрактность, но этим всегда сопровождается процесс обобщения и систематизации отдельных фактов.

§ 14.АКСИОМАТИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ НАТУРАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ

Как уже было сказано, натуральные числа получаются при счете предметов и при измерении величин. Но если при измерении появляются числа, отличные от натуральных, то счет приводит только к числам натуральным. Чтобы вести счет, нужна последовательность числительных, которая начинается с единицы и которая позволяет

осуществлять переход от одного числительного к другому и столько раз, сколько это необходимо. Иначе говоря, нужен отрезок натурального ряда. Поэтому, решая задачу обоснования системы натуральных чисел, в первую очередь надо было ответить на вопрос о том, что же представляет собой число как элемент натурального ряда. Ответ на него был дан в работах двух математиков – немца Грассмана и итальянца Пеано. Они предложили аксиоматику, в которой натуральное число обосновывалось как элемент неограниченно продолжающейся последовательности.
59. Об аксиоматическом способе построения теории

При аксиоматическом построении какой-либо математической теории соблюдаются определенные правила:

– некоторые понятия теории выбираются в качестве основных и принимаются без определения;

– каждому понятию теории, которое не содержится в списке основ­ных, дается определение, в нем разъясняется его смысл с помощью ос­новных и предшествующих данному понятий;

– формулируются аксиомы – предложения, которые в данной тео­рии принимаются без доказательства; в них раскрываются свойства основных понятий;

– каждое предложение теории, которое не содержится в списке ак­сиом, должно быть доказано; такие предложения называют теоремами и доказывают их на основе аксиом и теорем, предшествующих рас­сматриваемой.

Если построение теории осуществляется аксиоматическим мето­дом, т.е. по названным выше правилам, то говорят, что теория по­строена дедуктивно.

При аксиоматическом построении теории по существу все утверж­дения выводятся путем доказательства из аксиом. Поэтому к системе аксиом предъявляются особые требования. Прежде всего, она долж­на быть непротиворечивой и независимой.

Система аксиом называется непротиворечивой, если из нее нельзя логически вывести два взаимно исключающих друг друга предложения.

Если система аксиом не обладает этим свойством, она не может быть пригодной для обоснования научной теории.

Непротиворечивая система аксиом называется независимой, если никакая из аксиом этой системы не является следствием других акси­ом этой системы.

При аксиоматическом построении одной и той же теории можно использовать разные системы аксиом. Но они должны быть равно­сильными. Кроме того, при выборе той или иной системы аксиом математики учитывают, насколько просто и наглядно могут быть получены доказательства теорем в дальнейшем. Но если выбор акси­ом условен, то сама наука или отдельная теория не зависят от каких-либо условий, – они являются отражением реального мира.

Аксиоматическое построение системы натуральных чисел осуществ­ляется по сформулированным правилам. Изучая этот материал, мы должны увидеть, как из основных понятий и аксиом можно вывести всю арифметику натуральных чисел. Конечно, его изложение в нашем курсе будет не всегда строгим – некоторые доказательства мы опускаем в силу их большой сложности, но каждый такой случай будем оговаривать.

Упражнения

1. В чем суть аксиоматического способа построения теории?
2. Верно ли, что аксиома – это предложение, которое не требует доказательства?
3. Назовите основные понятия школьного курса планиметрии. Вспомните несколько аксиом из этого курса. Свойства каких понятий в них описываются?
4. Дайте определение прямоугольника, выбрав в качестве родового понятие параллелограмма. Назовите три понятия, которые в курсе геометрии должны предшествовать понятию «параллелограмм».
5. Какие предложения называют теоремами? Вспомните, какова логическая структура теоремы и что значит доказать теорему.

Лекция 32.Аксиоматическое построение множества целых неотрица­тельных чисел

План:

1. Основные понятия и аксиомы Пеано. Определение целого неотрицательного числа

2. Сложение целых неотрицательных чисел. Таблицы сложения и умножения.

3. Умножение целых неотрицательных чисел. Законы сложения и умножения.

60. Основные понятия и аксиомы. Определение натурального числа

В качестве основного понятия при аксиоматическом построении арифметики натуральных чисел взято отношение «непосредственно следовать за», заданное на непустом множестве N. Известными также считаются понятие множества, элемента множества и другие теорети­ко-множественные понятия, а также правила логики.

Элемент, непосредственно следующий за элементом а, обозначают а’.

Суть отношения «непосредственно следовать за» раскрывается в следующих аксиомах.

Аксиома 1. В множестве N существует элемент, непосредственно не следующий ни за каким элементом этого множества. Будем назы­вать его единицей и обозначать символом 1.

Аксиома 2. Для каждого элемента а из N существует единствен­ный элемент а, непосредственно следующий за а.

Аксиома 3. Для каждого элемента а из N существует не более од­ного элемента, за которым непосредственно следует а.

Аксиома 4. Всякое подмножество М множества N совпадает с N, если обладает свойствами: 1) 1 содержится в М; 2) из того, что а со­держится в М, следует, что и а’ содержится в М.

Сформулированные аксиомы часто называют аксиомами Пеано.

Используя отношение «непосредственно следовать за» и аксиомы 1-4, можно дать следующее определение натурального числа.

Определение. Множество N, для элементов которого установ­лено отношение «непосредственно следовать за», удовлетворяю­щее аксиомам 1-4, называется множеством натуральных чисел, а его элементы – натуральными числами.

В данном определении ничего не говорится о природе элементов множества N. Значит, она может быть какой угодно. Выбирая в качестве множества N некоторое конкретное множество, на котором зада­но конкретное отношение «непосредственно следовать за», удовле­творяющее аксиомам 1-4, мы получим модель данной системыаксиом.В математике доказано, что между всеми такими моделями можно установить взаимно однозначное соответствие, сохраняющее отноше­ние «непосредственно следовать за», и все такие модели будут отли­чаться только природой элементов, их названием и обозначением. Стандартной моделью системы аксиом Пеано является возникший в процессе исторического развития общества ряд чисел:

1,2,3,4,…

Каждое число этого ряда имеет свое обозначение и название, кото­рое мы будем считать известными.

Рассматривая натуральный ряд чисел в качестве одной из моделей аксиом 1-4, следует отметить, что они описывают процесс образова­ния этого ряда, причем происходит это при раскрытии в аксиомах свойств отношения «непосредственно следовать за». Так, натураль­ный ряд начинается с числа 1 (аксиома 1); за каждым натуральным числом непосредственно следует единственное натуральное число (аксиома 2); каждое натуральное число непосредственно следует не более чем за одним натуральным числом (аксиома 3); начиная от чис­ла 1 и переходя по порядку к непосредственно следующим друг за другом натуральным числам, получаем все множество этих чисел (аксиома 4). Заметим, что аксиома 4 в формализованном виде описыва­ет бесконечность натурального ряда, и на ней основано доказательст­во утверждений о натуральных числах.

Вообще моделью системы аксиом Пеано может быть любое счет­ное множество, например:

I, II, III, IIII, …

о, оо, ооо, оооо, …

один, два, три, четыре, …

Рассмотрим, например, последовательность множеств, в которой множество {оо} есть начальный элемент, а каждое последующее мно­жество получается из предыдущего приписыванием еще одного круж­ка (рис. 108,а). Тогда N есть множество, состоящее из множеств опи­санного вида, и оно является моделью системы аксиом Пеано. Дейст­вительно, в множестве N существует элемент {оо}, непосредственно не следующий ни за каким элементом данного множества, т.е. вы­полняется аксиома 1. Если счи­тать обведенные кружки за один элемент (рис. 108.6), то для каждого

а) {о о}, {о о о}, {о о о о}, …

б) { }, { о}, { о о}, …
Рис. 108

Рис. 109

множества А рассматриваемой совокупности существует единст­венное множество, которое получается из А добавлением одного круж­ка, т.е. выполняется аксиома 2. Для каждого множества А существует не более одного множества, из которого образуется множество А добавле­нием одного кружка, т.е. выполняется аксиома 3. Если М  N и из­вестно, что множество А содержится в М, следует, что и множество, в котором на один кружок больше, чем в множестве А, также содер­жится в N, то М