Conjuntos numéricos/La Axiomática de Peano

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Conjuntos ordinales

Conjuntos transitivos

Definición:

Diremos que un conjunto A es transitivo si cada elemento de cada elemento de A es a su vez un elemento de A. Es decir, si se cumple que cualesquiera que sean el x∈A y el y∈x, entonces y∈A.

Proposición

Un conjunto A es transitivo si y sólo si B∈A⇒B⊂A.

Demostración:

Supongamos que A es un conjunto transitivo, es decir, que cualesquiera que sean x∈A e y∈x, se tiene que y∈A. Así, por definición de subconjunto, x⊂A.

Recíprocamente, supongamos que A es un conjunto de manera que si x∈A, entonces x⊂A. Sea x∈A. Si x=∅, entonces es ya automáticamente x⊂A. Sea pues x≠∅, y sea y∈x⊂A. Luego y∈A. Así pues, A es transitivo.

Q.E.D.

Proposición

Si A es un conjunto transitivo, su sucesor A+ es también un conjunto transitivo.

Demostración:

Sea x∈A+=A∪{A}. Entonces, o es x=A, o es x∈A. Sea y∈x. En el caso en que x=A, entonces es y∈A, luego y∈A∪{A}=A+. En el caso en que x∈A, como A es transitivo, entonces y∈A, luego y∈A∪{A}=A+.

En cualquier caso, queda demostrado que A+ es de nuevo transitivo.

Q.E.D.

Ordinales

Definición:

Diremos que un conjunto transitivo A es un ordinal si la relación ∼∈𝒫(A×A) definida por x∼y si y sólo si x=y o x∈y es un buen orden en A.

Proposición

El sucesor de todo ordinal es un ordinal.

Demostración:

Un conjunto es un ordinal si es transitivo y está bien ordenado por la relación ∼. Ya hemos demostrado que el sucesor de todo conjunto transitivo es transitivo. Falta demostrar que el sucesor de un ordinal también está bien ordenado por la relación ∼.

Sea A un ordinal. Consideremos su sucesor A+=A∪{A}. Para demostrar que ∼ es un buen orden en A+ hemos de demostrar primero que es efectivamente un orden:

Sea c∈A+. Como c=c, entonces es c∼c, y la relación ∼ es reflexiva en A+.

Sean b,c∈A+ de forma que b∼c y que c∼b. Tenemos las siguientes posibilidades:

  • b,c∈A: como A es un ordinal, está bien ordenado por ∼, luego en particular ∼ es un orden en A, y es antisimétrica. Es decir, como b,c∈A y además b∼c y c∼b, entonces b=c.
  • b∈A y c=A:
Como c∼b, tenemos estas dos opciones:
  • Si c∈b: A es transitivo, y c=A, con lo que c es transitivo. Ahora bien, c∈b, b∈c y c transitivo implican que c∈c, contradicción. Luego no puede ser que c∈b (o sea, este caso no se puede dar).
  • Si c=b, entonces como b=c y b∈c, sería b∈b, contradicción (o sea, que este caso tampoco se puede dar).
Esto prueba que no es posible que ocurran a la vez b∼c, c∼b, b∈A y c=A. Este caso, entonces, nunca se da.
  • c∈A y b=A: obviamente llegamos a la misma contradicción que en el caso anterior (o sea, este caso tampoco se puede dar).
  • b=A y c=A: entonces es b=c.

Con lo cual hemos demostrado que la relación ∼ es antisimétrica.

Sean b,c,d∈A+ de forma que b∼c y que c∼d. Tenemos las siguientes posibilidades:

  • b=c y c=d: entonces es b=d, esto es, b∼d.
  • b∈c y c=d: entonces es b∈d, esto es, b∼d.
  • b=c y c∈d: entonces es b∈d, esto es, b∼d.
  • b∈c y c∈d:
  • Si d=A, es entonces d transitivo. Como b∈c, c∈d y d es transitivo, entonces es b∈d, esto es, b∼d.
  • Si d∈A, tenemos los siguientes casos:
  • b=A: tenemos que c∈d, d∈A y A es transitivo, luego c∈A. Como b=A, b∈c, c∈A y A es transitivo, concluimos que b∈A, i.e., A∈A. Contradicción. Así que este caso no se puede dar.
  • c=A: tendríamos que d∈A, c∈d y A transitivo, luego sería c∈A. Pero c=A, luego resultaría A∈A, contradicción. Este caso tampoco es posible, y por lo tanto nunca se da.
  • b∈c, c∈d y b,c,d∈A. Entonces es b∼c, c∼d, y como A es ordinal, ∼ es relación de orden en A, luego es transitiva, y al ser b,c,d∈A, concluimos que b∼d.

Así, ∼ es relación transitiva en A+, y por todo lo anterior es (A+,∼) un conjunto ordenado.

Ahora resta por comprobar que ∼ es un buen orden en A+, es decir, que todo subconjunto no vacío de A+ tiene elemento mínimo según la relación ∼.

Sea pues B⊂A+ con B≠∅. Si B={A}, entonces A es elemento mínimo de B. Supongamos que A∉B. Entonces B⊂A+∖{A}=A∪{A}∖{A}=A y B≠∅. Entonces B tiene primer elemento para la relación ∼ en A, y por la propia definición de ∼, es claro que es también primer elemento para la relación ∼ en A+. Por último, si A∈B y B≠{A}, entonces B′:=B∖{A}≠∅ y B′⊂A+∖{A}=A∪{A}∖{A}=A. Así, existe un b∈B′⊂B de forma que b es elemento mínimo de B′. Como B′⊂A, entonces es b∈A, luego b∼A, y es b elemento mínimo de B′∪{A}=B.

Q.E.D.

Ejemplos de ordinales.

La proposición anterior nos dota de una herramienta para construir ordinales. en efecto, es inmediato comprobar que ∅ es un ordinal. Por la proposición anterior, ∅+=∅∪{∅}={∅} es también un ordinal. Así, calculando sucesivamente los sucesores de cada ordinal obtenido, obtenemos que son también ordinales: {∅,{∅}}, {∅,{∅},{∅,{∅}}},...

Definición

Diremos que un conjunto x es un ordinal sucesor si existe un conjunto y de forma que y sea un ordinal y que x=y+.

Diremos que un conjunto ordinal α es un número natural si se cumple que para cada β⊂α, o bien es β=∅ o bien es β es un ordinal sucesor.

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