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Pruebas que implican la suma de números naturales.

Propiedades aritméticas básicas (ampliar para pruebas de inducción)

Este artículo contiene pruebas matemáticas de algunas propiedades de la suma de los números naturales : la identidad aditiva, la conmutatividad y la asociatividad. Estas pruebas se utilizan en el artículo Suma de números naturales .

Definiciones

Este artículo utilizará los axiomas de Peano para la definición de números naturales. Con estos axiomas, la suma se define a partir de la constante 0 y la función sucesora S(a) mediante las dos reglas

Para la prueba de conmutatividad, resulta útil dar el nombre "1" al sucesor de 0; eso es,

1 = S(0).

Por cada número natural a , se tiene

Prueba de asociatividad

Probamos la asociatividad fijando primero los números naturales a y b y aplicando inducción al número natural c .

Para el caso base c = 0,

( a + b ) + 0 = a + b = a + ( b + 0)

Cada ecuación sigue por definición [A1]; el primero con a + b , el segundo con b .

Ahora, para la inducción. Asumimos la hipótesis de inducción, es decir, asumimos que para algún número natural c ,

( a + b ) + c = a + ( b + c )

Luego sigue,

En otras palabras, la hipótesis de inducción es válida para S ( c ). Por tanto, la inducción sobre c es completa.

Elemento de prueba de identidad

La definición [A1] establece directamente que 0 es una identidad correcta . Probamos que 0 es una identidad izquierda por inducción sobre el número natural a .

Para el caso base a = 0, 0 + 0 = 0 por definición [A1]. Ahora asumimos la hipótesis de inducción, que 0 + a = a . Entonces

Esto completa la inducción en un .

Prueba de conmutatividad

Probamos la conmutatividad ( a + b = b + a ) aplicando inducción al número natural b . Primero demostramos los casos base b = 0 y b = S (0) = 1 (es decir, demostramos que 0 y 1 conmutan con todo).

El caso base b = 0 se deriva inmediatamente de la propiedad del elemento identidad (0 es una identidad aditiva ), que se ha demostrado anteriormente: a + 0 = a = 0 + a .

A continuación demostraremos el caso base b = 1, que 1 conmuta con todo, es decir, para todos los números naturales a , tenemos a + 1 = 1 + a . Probaremos esto por inducción en a (una prueba de inducción dentro de una prueba de inducción). Hemos demostrado que 0 conmuta con todo, por lo que, en particular, 0 conmuta con 1: para a = 0, tenemos 0 + 1 = 1 + 0. Ahora, supongamos a + 1 = 1 + a . Entonces

Esto completa la inducción en a , por lo que hemos demostrado el caso base b = 1. Ahora, supongamos que para todos los números naturales a , tenemos a + b = b + a . Debemos demostrar que para todos los números naturales a , tenemos a + S ( b ) = S ( b ) + a . Tenemos

Esto completa la inducción en b .

Ver también

Referencias