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Conjunto numerable

En matemáticas, un conjunto numerable es un conjunto con la misma cardinalidad que el conjunto de los números naturales. Que un conjunto sea numerable implica que es un conjunto infinito. Más concretamente, un conjunto se dice que es numerable (o contable) cuando existe una biyección entre este conjunto y el conjunto de los números naturales.

En 1874 Georg Cantor introdujo el término conjunto numerable, contrastando conjuntos que son contables con los que son incontables. Hoy en día, los conjuntos numerables forman la base de una rama de las matemáticas llamada matemática discreta.

Definición

Un conjunto   es contable si existe una función biyectiva   desde números naturales     ya que existe una obvia biyección entre   y  , no existe diferencia si se considera el 0 como natural o si no; en cualquier caso, este artículo toma la convención estándar de la lógica matemática, en donde se toma al     a  , es decir, a cada n de los naturales (dominio o conjunto de partida) le corresponde un elemento de S (imagen o conjunto de llegada) mediante una función  .

 

Si la función   llega a ser también sobreyectiva (y por lo tanto biyectiva), entonces   se llama infinito numerable.

En otras palabras, un conjunto es infinito numerable si tiene correspondencia uno a uno con el conjunto de los números naturales  .

Como se señaló anteriormente, esta terminología no es universal. Algunos autores utilizan contable en el sentido de lo que aquí se llama infinito numerable, y no incluyen los conjuntos finitos.

Formulaciones alternativas (equivalentes) de la definición en términos de una función biyectiva o una función sobreyectiva también se puede dar. Véase abajo.

Historia

En 1874, en su primer artículo de la teoría de conjuntos, Cantor demostró que el conjunto de los números reales es incontable, mostrando entonces que no todos los conjuntos infinitos son numerables.[1]​ En 1878 utilizó las correspondencias uno a uno para definir y comparar las cardinalidades.[2]​ En 1883 extendió los números naturales con sus ordinales infinitos, y usó conjuntos de ordinales para producir una infinidad de conjuntos teniendo diferentes cardinalidades infinitas.[3]

Origen del término

La noción de numerabilidad fue introducida por Georg Cantor en un artículo de 1874,[4]Sobre una propiedad del sistema de todos los números algebraicos reales[5]​ donde establece por una parte que el conjunto de números algebraicos reales (es decir, el conjunto de los números reales que son solución de alguna ecuación polinómica con coeficientes racionales) es numerable,[6]​ y por otra que el conjunto de todos los números reales no lo es, a partir de lo cual deduce inmediatamente la existencia de números trascendentes o no algebraicos, redescubriendo así un resultado de Liouville.

Su origen está ligado a la concepción del infinito en matemáticas. Hasta el descubrimiento de Cantor, el infinito era el infinito potencial, la posibilidad de continuar un proceso sin detenerse nunca. La comparación de conjuntos infinitos trae consigo la noción de infinito alcanzado, actual o completo: un conjunto infinito visto como un todo, un concepto que ha sido rechazado por numerosos matemáticos (Gauss, o, en la época de Cantor, Kronecker, etc.).[7]​ Para ellos, el hecho de considerar una infinidad de objetos como un todo, es decir, el concepto de conjunto infinito no tiene sentido, sino que el infinito solo puede surgir del proceso de enumeración sin repetición que nunca se detiene. Solo el infinito numerable puede tener en rigor algún sentido.

Introducción

Un conjunto es una colección de elementos, y puede ser descrito de muchas maneras. Una forma es simplemente una lista de todos sus elementos; Por ejemplo, el conjunto que consiste en los números enteros 3, 4, y 5 puede ser denotado {3, 4, 5}. Esto solo es efectivo para pequeños conjuntos, sin embargo; para conjuntos más grandes, esto podría llevar mucho tiempo y ser propenso a errores. En lugar de enumerar cada elemento, a veces se utilizan unos puntos suspensivos ("...") si el escritor cree que el lector puede adivinar fácilmente lo que falta; por ejemplo, {1, 2, 3, ..., 100} presumiblemente denota el conjunto de los enteros de 1 a 100. Incluso en este caso todavía es posible listar todos los elementos, ya que el conjunto es finito.

Algunos conjuntos son infinitos; estos conjuntos tienen más de n elementos para cualquier número entero n. Por ejemplo, el conjunto de números naturales, escrito como {0, 1, 2, 3, 4, 5, ...}, tiene un número infinito de elementos, y no podemos utilizar cualquier número normal para dar su tamaño. Sin embargo, resulta que los conjuntos infinitos tienen una idea bien definida de tamaño (o mejor dicho, de cardinalidad, que es el término técnico para el número de elementos en un conjunto), y no todos los conjuntos infinitos tienen la misma cardinalidad.

 
Representación biyectiva de enteros a números iguales.

Para entender lo que esto significa, primero examinamos lo que no quiere decir. Por ejemplo, hay un número infinito de enteros impares, un número infinito de enteros pares, y (por lo tanto) un número infinito de números enteros en general. Sin embargo, resulta que el número de enteros pares, que es el mismo que el número de enteros impares, es también el mismo que el número de enteros en general. Esto se debe a que para cada entero impar, existe un homólogo, entero par: ... -2 → -4, -1 → -2, 0 → 0, 1 → 2, 2 → 4, ... En la imagen están dispuestos los números enteros y los números pares en una correspondencia uno-a-uno (o biyección), que es una función que representa dos conjuntos de tal manera que cada elemento de cada conjunto corresponde a un solo elemento en el otro conjunto.

Sin embargo, no todos los conjuntos infinitos tienen la misma cardinalidad. Por ejemplo, Georg Cantor (que introdujo este concepto) demostró que los números reales no se pueden corresponder uno-a-uno con los números naturales (enteros no negativos), y por lo tanto, el conjunto de los números reales tiene una cardinalidad mayor que el conjunto de los números naturales.

Un conjunto es numerable si: (1) es finito, o (2) si tiene la misma cardinalidad (tamaño) que el conjunto de los números naturales. De manera equivalente, un conjunto es numerable si tiene la misma cardinalidad que algún subconjunto del conjunto de los números naturales. De lo contrario, es incontable.

Formulación general sin detalles

Por definición, un conjunto S es numerable si existe una función inyectiva f : SN desde S al conjunto de los números naturales N = {0, 1, 2, 3, ...}.

Podría parecer normal dividir los conjuntos en diferentes clases: poner todos los conjuntos que contienen un elemento juntos; todos los conjuntos que contienen dos elementos juntos; ...; por último, poner juntos todos los conjuntos infinitos y considerar que tienen el mismo tamaño. Este punto de vista no es sostenible dentro de la definición natural de tamaño.

Para elaborar esto necesitamos el concepto de biyección. Aunque una biyección parece un concepto más avanzado que un número, el desarrollo habitual de las matemáticas en términos de la teoría de conjuntos define funciones antes de los números, ya que se basan en conjuntos mucho más simples. Aquí es donde el concepto de biyección interviene: define la correspondencia

a ↔ 1, b ↔ 2, c ↔ 3

Esto define una biyección, puesto que cada elemento de {a, b,c} se empareja con un preciso elemento de {1, 2, 3} , y viceversa.

Ahora se generaliza esta situación y definimos dos conjuntos del mismo tamaño si (y solo si) hay una biyección entre ellos. Para todos los conjuntos finitos esto nos da la definición usual de tamaño equivalente. ¿Qué nos dice sobre el tamaño de los conjuntos infinitos?

Considere los conjuntos A = {1, 2, 3, ...}, el conjunto de los enteros positivos y B = {2, 4, 6, ...}, el conjunto de los enteros positivos pares. Afirmamos que, bajo nuestra definición, estos conjuntos tienen el mismo tamaño, y que, por tanto, B es infinito numerable. Recordemos que para probar esto tenemos que probar una biyección entre ellos. Pero esto es fácil, usando n ↔ 2n , de modo que

1 ↔ 2, 2 ↔ 4, 3 ↔ 6, 4 ↔ 8, ....

Como en el ejemplo anterior, cada elemento de A se ha emparejado con un elemento de B y viceversa. De ahí que tengan el mismo tamaño. Este es un ejemplo de un conjunto del mismo tamaño que uno de sus subconjuntos propios (algo imposible para conjuntos finitos).

Del mismo modo, el conjunto de todos los pares ordenados de los números naturales es infinito numerable, como puede verse siguiendo una trayectoria como la de la imagen:

 
La Función de emparejamiento de Cantor asigna un número natural a cada par de los números naturales.

La representación resultante es:

0 ↔ (0,0), 1 ↔ (1,0), 2 ↔ (0,1), 3 ↔ (2,0), 4 ↔ (1,1), 5 ↔ (0,2), 6 ↔ (3,0) ....

Esta representación abarca a todos los pares ordenados.

Curiosamente, si trata a cada par como el numerador el y denominador de una fracción vulgar, a continuación, para cada fracción positiva, podemos llegar a una cantidad distinta que corresponderá a la misma. Esta representación incluye también a los números naturales, ya que cada número natural es también una fracción N/1. Por lo tanto podemos concluir que hay exactamente tantos números racionales positivos como números enteros positivos. Esto es cierto también para todos los números racionales, como puede verse a debajo.

Teorema: El producto cartesiano de un número finito de conjuntos numerables es numerable.

A veces más de una representación es útil. Aquí es donde se representa que el conjunto que se desea mostrar es infinito numerable en otro conjunto, y luego representa este otro conjunto de los números naturales. Por ejemplo, los números racionales positivos pueden ser fácilmente asignados a (un subconjunto de) los pares de números naturales porque p/q representa a (p, q).

¿Y qué ocurre con los subconjuntos infinitos de los conjuntos numerables infinitos? ¿Tienen éstos menos elementos que N?

Teorema: Cada subconjunto de un conjunto numerable es numerable. En particular, cada subconjunto infinito de un conjunto infinito numerable es infinito numerable.

Por ejemplo, el conjunto de los números primos es contable, mediante la asignación del n-ésimo número primo a n:

  • El 2 representa al 1
  • El 3 representa al 2
  • El 5 representa al 3
  • El 7 representa al 4
  • El 11 representa al 5
  • El 13 representa al 6
  • El 17 representa al 7
  • El 19 representa al 8
  • El 23 representa al 9
  • ...

¿Qué ocurre con los conjuntos que son naturalmente "mayores que" N? Por ejemplo, el conjunto de los enteros, Z, o el conjunto de los números racionales, Q, que, intuitivamente puede parecer mucho más grande que N. Pero las apariencias engañan, ya que afirmamos que:

Teorema: Z (el conjunto de todos los enteros) y Q (el conjunto de todos los números racionales) son contables.

De una manera similar, el conjunto de los números algebraicos es contable.[8]

Teorema: Cualquier unión finita de conjuntos contables es contable. Q puede definirse como el conjunto de todas las fracciones del tipo a'/b donde a y b son números enteros, con b> 0. Esto se puede corresponder con el subconjunto de triples ordenados de números naturales (a, b, c) de tal manera que si a ≥ 0 y b > 0, a y b son coprimos, y c ∈ {0, 1} luego c = 0 si a / b ≥ 0, y c = 1 en caso contrario.

  • El 0 representa a (0,1,0)
  • El 1 representa a (1,1,0)
  • El −1 representa a (1,1,1)
  • El 1/2 representa a (1,2,0)
  • El −1/2 representa a (1,2,1)
  • El 2 representa a (2,1,0)
  • El −2 representa a (2,1,1)
  • El 1/3 representa a (1,3,0)
  • El −1/3 representa a (1,3,1)
  • El 3 representa a (3,1,0)
  • El −3 representa a (3,1,1)
  • El 1/4 representa a (1,4,0)
  • El −1/4 representa a (1,4,1)
  • El 2/3 representa a (2,3,0)
  • El −2/3 representa a (2,3,1)
  • El 3/2 representa a (3,2,0)
  • El −3/2 representa a (3,2,1)
  • El 4 representa a (4,1,0)
  • El −4 representa a (4,1,1)
  • ...

Con la previsión de saber que hay conjuntos numerables, podemos preguntarnos si este último resultado puede ser ampliado. La respuesta es "sí" y "no", podemos extenderlo, pero tenemos que asumir un nuevo axioma para hacerlo.

Teorema: (Asumiendo el axioma de la elección numerable) La unión de una cantidad numerable de conjuntos numerables es numerable.

Por ejemplo, dado el conjunto numerable a, b, c, ...

 
Enumeración de número contables de conjuntos numerables.

Usando una variante de la enumeración triangular vista anteriormente:

  • a0 representa al 0
  • a1 representa al 1
  • b0 representa al 2
  • a2 representa al 3
  • b1 representa al 4
  • c0 representa al 5
  • a3 representa al 6
  • b2 representa al 7
  • c1 representa al 8
  • d0 representa al 9
  • a4 representa al 10
  • ...

Tenga en cuenta que esto solo funciona si los conjuntos a, b, c, ... son conjuntos disjuntos. Si no es así, entonces la unión es aún más pequeña y por lo tanto también enumerable mediante uno de los teoremas anteriores.

También tenga en cuenta que necesitamos el axioma de la elección contable para indexar todos los conjuntos a, b, c, ... simultáneamente.

Teorema: El conjunto de todas las secuencias de longitud finita de números naturales es contable.

Este conjunto es la unión de secuencias de longitud 1, longitud 2, longitud 3, las cuales son conjuntos numerables (producto cartesiano finito). Así que estamos hablando de una unión numerable de conjuntos numerables, que es contable por el teorema anterior.

Teorema: El conjunto de todos los subconjuntos finitos de los números naturales es contable.

Teniendo un subconjunto finito, se pueden ordenar los elementos en una secuencia finita. Solo hay una cantidad numerable de secuencias finitas, por lo que también hay solo una cantidad numerable de subconjuntos finitos.

El siguiente teorema proporciona formulaciones equivalentes en términos de una función biyectiva o sobreyectiva. Una prueba de este resultado se puede encontrar en el texto de Lang.

Teorema (básico): Sea S un conjunto. Los siguientes enunciados son equivalentes:

  1. S es contable, es decir, existe una función inyectiva f : SN.
  2. Ó S está vacío o existe una función sobreyectiva g : NS.
  3. Ó S es finita o existe una biyección h : NS.

El teorema de Cantor afirma que si A es un conjunto y P(A) es su conjunto potencia, es decir, el conjunto de todos subconjuntos de a , entonces no hay ninguna función sobreyectiva de A a P(A). Una prueba se da en el artículo del teorema de Cantor. Como consecuencia inmediata de esto y el teorema básico anterior tenemos:

Proposición: El conjunto P(N) no es contable; es decir, es incontable.

Para una elaboración de este resultado véase el argumento diagonal de Cantor.

El conjunto de los números reales es incontable (ver primera prueba de incontabilidad de Cantor), y también lo es el conjunto de todas las secuencias infinitas de los números naturales.

Algunos detalles técnicos

Las pruebas de las declaraciones contenidas en el apartado anterior se basan en la existencia de funciones con ciertas propiedades. Esta sección presenta las funciones más utilizadas en este papel, pero no la comprobación de que estas funciones tienen las propiedades requeridas. El teorema básico a menudo se utiliza para simplificar las pruebas. Observe que N en este teorema puede ser sustituido por cualquier conjunto infinito numerable.

Proposición: Cualquier conjunto finito es contable.

Prueba: Por definición, existe una biyección entre un conjunto finito no vacío, S, y el conjunto {1, 2, ..., n} para cualquier número natural positivo n. Esta función es una inyección de S en N.

Proposición: Cualquier subconjunto de un conjunto numerable es numerable.[9]

Prueba: La restricción de una función inyectiva a un subconjunto de su dominio sigue siendo inyectiva.

Proposición: Si S es un conjunto numerable y xS, entonces S ∪ {x} es numerable.[10]

Prueba: Sea f: SN una inyección, se define g: S ∪ {x} → N como g(x) = 0 y g(y) = f(y) + 1 para toda y en S. Esta función g es una inyección.

Proposición: Si A y B son conjuntos numerables, entonces AB son numerable.[11]

Prueba: Sean f: AN y g: BN inyecciones, se define una nueva inyección h: ABN como h(x) = 2f(x) si x está en A y h(x) = 2g(x) + 1 si x está en B pero no en A.

Proposición: El producto cartesiano de dos conjuntos numerables A y B es numerable.[12]

Prueba: Observe que N × N es contable por definición porque la función f : N × NN dada por f(m, n) = 2m3n es inyectiva.[13]​ Entonces sigue el teorema básico del producto cartesiano, donde dos conjuntos numerables cualesquiera tienen un producto numerable. Si A y B son contables, existen subyecciones f : NA y g : NB. Así que

f × g : N × NA × B

es una subyección de un conjunto numerable N × N al conjunto A × B y el corolario implica que A × B es contable. Este resultado generaliza el producto cartesiano de cualquier colección finita de conjuntos numerables y la demostración por inducción del número de conjuntos en la colección.

Proposition: Los enteros Z son contables y los números racionales Q son contables.

Prueba: Los enteros Z son contables debido a la función f : ZN dada por f(n) = 2n si n no es negativo f(n) = 3n si n es negativo, es una función inyectiva. Los números racionales Q son contables debido a la función g : Z × NQ dada por g(m, n) = m/(n + 1) es una subyección del conjunto numerable Z × N ha los racionales Q.

Proposition: Los números algebraicos A son numerables.

Prueba: Ya que todos los números algebraicos (incluyendo a los números complejos) son raíces de un polinomio. Sea un polinomio  , y el número algebraico   es la k-ésima raíz del polinomio (En primer lugar, ordenados por valor absoluto de menor a mayor, a continuación, ordenados por el argumento de menor a mayor). Podemos definir una función inyectiva (es decir, una a una) f : AQ dada por  , donde   es el n-ésimo primo.

Proposición: Si An es un conjunto contable para cada n en N entonces la unión de todos los An es también contable.[14]

Prueba: Esto es una consecuencia del hecho de que para cada n existe una función subyectiva gn : NAn y por lo tanto la función

 

dada por G(n, m) = gn(m) es una subyección. Ya que N × N es numerable, el corolario implica que la unión es contable. Usamos el axioma de la elección numerable en esta prueba para escoger para cada n in N una subyección gn de la colección no vacía de subyecciones de N a An.

Una prueba topológica para la incontabilidad de los números reales se describe en la propiedad de la intersección finita.

Modelo mínimo de la teoría de conjuntos

Si hay un conjunto que es un modelo estándar (ver modelo interno) de la teoría de conjuntos de ZFC, entonces no hay un modelo estándar mínimo (ver universo constructible). El teorema de Löwenheim-Skolem se puede utilizar para demostrar que este modelo mínimo es contable. El hecho es que la noción de "incontabilidad" tiene sentido en este modelo, y en particular este modelo M contiene elementos que son:

  • Subconjuntos de M, por lo tanto, contables
  • Pero incontables bajo el punto de vista de M

En los primeros días de existencia, esta teoría fue considerada como una paradoja (véase paradoja de Skolem).

El modelo estándar mínimo incluye a todos los números algebraicos y a todos los números trascendentales efectivamente computables, así como a muchos otros tipos de números.

Órdenes totales

Los conjuntos numerables pueden ser ordenados totalmente de diversas maneras, por ejemplo:

  • Con un buen orden (véase también número ordinal):
    • El orden habitual de los números naturales (0 , 1, 2, 3, 4, 5, ...)
    • Los números enteros en el orden (0, 1, 2, 3, ...; -1, -2, -3, ...)
  • Otros (sin un buen orden):
    • El orden habitual de números enteros (..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ...)
    • El orden habitual de los números racionales (no se puede escribir de forma explícita como una lista ordenada)

Nótese que en ambos ejemplos del buen orden, cualquier subconjunto tiene un elemento menor; y en los ejemplos de las ordenaciones sin buen orden, algunos subconjuntos no tienen un elemento menor. Esta es la definición clave que determina si una orden total es también un buen orden.

Ejemplos

 

  • El conjunto de todos los números pares, es numerable porque la función:
 
 

es una biyección: cada número natural corresponde a un único número par y viceversa.

  • El conjunto   de todos los enteros también es numerable.
  • Además el conjunto   de todos los números racionales es numerable.[15]
  • El conjunto   es numerable.
  • Se deriva del enunciado anterior que el conjunto de todos los racionales también es numerable, teniendo en cuenta que  , donde   no contiene el 0 .
  • Por inducción puede probarse que   son numerables para cualquier número natural k.

Véase también

Notas y referencias

  1. Stillwell, John C. (2010), Roads to Infinity: The Mathematics of Truth and Proof, CRC Press, p. 10, ISBN 9781439865507, «El descubrimiento de Cantor de los conjuntos numerables en 1874 fue uno de los eventos más inesperados de la historia de las matemáticas. Antes de 1874, el infinito no estaba considerado un número matemático por la mayoría de la gente, de ahí la necesidad de distinguir entre contable e incontable.» .
  2. Cantor 1878, p. 242.
  3. Ferreirós 2007, pp. 268, 272-273.
  4. y en 1873 en su correspondencia con Dedekind.
  5. Cantor (1874) Über eine Eigenschaft des Inbegriffes aller reellen algebraischen Zahlen, Journal de Crelle 77, p258-262 (ver el centro de numeración de Göttingen [1] (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).). Disponemos del origen de esta demostración, que todavía no es la demostración más conocida que utiliza el argumento diagonal, gracias a las cartas del 7 y 9 de diciembre de 1873 de Georg Cantor a Richard Dedekind.
  6. Demostración de Dedekind, según su correspondencia.
  7. Véase por ejemplo Kneale and Kneale, The development of Logic Clarendon Press 1962, p 673.
  8. Kamke, 1950
  9. Halmos, 1960
  10. Avelsgaard, 1990
  11. Avelsgaard, 1990
  12. Halmos, 1960
  13. Avelsgaard, 1990
  14. Fletcher y Patty, 1988
  15. Se dispone en un cuadro cuya cada fila corresponde a fracciones que tienen el mismo numerador, luego se van uniendo, racionales de diferentes filas
  •   Datos: Q185478
  •   Multimedia: Category:Countable sets

Enlaces externos

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En matematicas un conjunto numerable es un conjunto con la misma cardinalidad que el conjunto de los numeros naturales Que un conjunto sea numerable implica que es un conjunto infinito Mas concretamente un conjunto se dice que es numerable o contable cuando existe una biyeccion entre este conjunto y el conjunto de los numeros naturales En 1874 Georg Cantor introdujo el termino conjunto numerable contrastando conjuntos que son contables con los que son incontables Hoy en dia los conjuntos numerables forman la base de una rama de las matematicas llamada matematica discreta Indice 1 Definicion 2 Historia 2 1 Origen del termino 3 Introduccion 4 Formulacion general sin detalles 5 Algunos detalles tecnicos 6 Modelo minimo de la teoria de conjuntos 7 ordenes totales 8 Ejemplos 9 Vease tambien 10 Notas y referencias 11 Enlaces externosDefinicion EditarUn conjunto S displaystyle S es contable si existe una funcion biyectiva f displaystyle f desde numeros naturales N 0 1 2 3 displaystyle mathbb N 0 1 2 3 displaystyle ya que existe una obvia biyeccion entre N displaystyle mathbb N y N 0 1 2 3 displaystyle mathbb N 0 1 2 3 no existe diferencia si se considera el 0 como natural o si no en cualquier caso este articulo toma la convencion estandar de la logica matematica en donde se toma al 0 N displaystyle 0 in mathbb N displaystyle a S displaystyle S es decir a cada n de los naturales dominio o conjunto de partida le corresponde un elemento de S imagen o conjunto de llegada mediante una funcion f displaystyle f f N S n s f n displaystyle begin array rccl f amp mathbb N amp longrightarrow amp S amp n amp longmapsto amp s f n end array Si la funcion f displaystyle f llega a ser tambien sobreyectiva y por lo tanto biyectiva entonces S displaystyle S se llama infinito numerable En otras palabras un conjunto es infinito numerable si tiene correspondencia uno a uno con el conjunto de los numeros naturales N displaystyle mathbb N Como se senalo anteriormente esta terminologia no es universal Algunos autores utilizan contable en el sentido de lo que aqui se llama infinito numerable y no incluyen los conjuntos finitos Formulaciones alternativas equivalentes de la definicion en terminos de una funcion biyectiva o una funcion sobreyectiva tambien se puede dar Vease abajo Historia EditarEn 1874 en su primer articulo de la teoria de conjuntos Cantor demostro que el conjunto de los numeros reales es incontable mostrando entonces que no todos los conjuntos infinitos son numerables 1 En 1878 utilizo las correspondencias uno a uno para definir y comparar las cardinalidades 2 En 1883 extendio los numeros naturales con sus ordinales infinitos y uso conjuntos de ordinales para producir una infinidad de conjuntos teniendo diferentes cardinalidades infinitas 3 Origen del termino Editar La nocion de numerabilidad fue introducida por Georg Cantor en un articulo de 1874 4 Sobre una propiedad del sistema de todos los numeros algebraicos reales 5 donde establece por una parte que el conjunto de numeros algebraicos reales es decir el conjunto de los numeros reales que son solucion de alguna ecuacion polinomica con coeficientes racionales es numerable 6 y por otra que el conjunto de todos los numeros reales no lo es a partir de lo cual deduce inmediatamente la existencia de numeros trascendentes o no algebraicos redescubriendo asi un resultado de Liouville Su origen esta ligado a la concepcion del infinito en matematicas Hasta el descubrimiento de Cantor el infinito era el infinito potencial la posibilidad de continuar un proceso sin detenerse nunca La comparacion de conjuntos infinitos trae consigo la nocion de infinito alcanzado actual o completo un conjunto infinito visto como un todo un concepto que ha sido rechazado por numerosos matematicos Gauss o en la epoca de Cantor Kronecker etc 7 Para ellos el hecho de considerar una infinidad de objetos como un todo es decir el concepto de conjunto infinito no tiene sentido sino que el infinito solo puede surgir del proceso de enumeracion sin repeticion que nunca se detiene Solo el infinito numerable puede tener en rigor algun sentido Introduccion EditarUn conjunto es una coleccion de elementos y puede ser descrito de muchas maneras Una forma es simplemente una lista de todos sus elementos Por ejemplo el conjunto que consiste en los numeros enteros 3 4 y 5 puede ser denotado 3 4 5 Esto solo es efectivo para pequenos conjuntos sin embargo para conjuntos mas grandes esto podria llevar mucho tiempo y ser propenso a errores En lugar de enumerar cada elemento a veces se utilizan unos puntos suspensivos si el escritor cree que el lector puede adivinar facilmente lo que falta por ejemplo 1 2 3 100 presumiblemente denota el conjunto de los enteros de 1 a 100 Incluso en este caso todavia es posible listar todos los elementos ya que el conjunto es finito Algunos conjuntos son infinitos estos conjuntos tienen mas de n elementos para cualquier numero entero n Por ejemplo el conjunto de numeros naturales escrito como 0 1 2 3 4 5 tiene un numero infinito de elementos y no podemos utilizar cualquier numero normal para dar su tamano Sin embargo resulta que los conjuntos infinitos tienen una idea bien definida de tamano o mejor dicho de cardinalidad que es el termino tecnico para el numero de elementos en un conjunto y no todos los conjuntos infinitos tienen la misma cardinalidad Representacion biyectiva de enteros a numeros iguales Para entender lo que esto significa primero examinamos lo que no quiere decir Por ejemplo hay un numero infinito de enteros impares un numero infinito de enteros pares y por lo tanto un numero infinito de numeros enteros en general Sin embargo resulta que el numero de enteros pares que es el mismo que el numero de enteros impares es tambien el mismo que el numero de enteros en general Esto se debe a que para cada entero impar existe un homologo entero par 2 4 1 2 0 0 1 2 2 4 En la imagen estan dispuestos los numeros enteros y los numeros pares en una correspondencia uno a uno o biyeccion que es una funcion que representa dos conjuntos de tal manera que cada elemento de cada conjunto corresponde a un solo elemento en el otro conjunto Sin embargo no todos los conjuntos infinitos tienen la misma cardinalidad Por ejemplo Georg Cantor que introdujo este concepto demostro que los numeros reales no se pueden corresponder uno a uno con los numeros naturales enteros no negativos y por lo tanto el conjunto de los numeros reales tiene una cardinalidad mayor que el conjunto de los numeros naturales Un conjunto es numerable si 1 es finito o 2 si tiene la misma cardinalidad tamano que el conjunto de los numeros naturales De manera equivalente un conjunto es numerable si tiene la misma cardinalidad que algun subconjunto del conjunto de los numeros naturales De lo contrario es incontable Formulacion general sin detalles EditarPor definicion un conjunto S es numerable si existe una funcion inyectiva f S N desde S al conjunto de los numeros naturales N 0 1 2 3 Podria parecer normal dividir los conjuntos en diferentes clases poner todos los conjuntos que contienen un elemento juntos todos los conjuntos que contienen dos elementos juntos por ultimo poner juntos todos los conjuntos infinitos y considerar que tienen el mismo tamano Este punto de vista no es sostenible dentro de la definicion natural de tamano Para elaborar esto necesitamos el concepto de biyeccion Aunque una biyeccion parece un concepto mas avanzado que un numero el desarrollo habitual de las matematicas en terminos de la teoria de conjuntos define funciones antes de los numeros ya que se basan en conjuntos mucho mas simples Aqui es donde el concepto de biyeccion interviene define la correspondencia a 1 b 2 c 3Esto define una biyeccion puesto que cada elemento de a b c se empareja con un preciso elemento de 1 2 3 y viceversa Ahora se generaliza esta situacion y definimos dos conjuntos del mismo tamano si y solo si hay una biyeccion entre ellos Para todos los conjuntos finitos esto nos da la definicion usual de tamano equivalente Que nos dice sobre el tamano de los conjuntos infinitos Considere los conjuntos A 1 2 3 el conjunto de los enteros positivos y B 2 4 6 el conjunto de los enteros positivos pares Afirmamos que bajo nuestra definicion estos conjuntos tienen el mismo tamano y que por tanto B es infinito numerable Recordemos que para probar esto tenemos que probar una biyeccion entre ellos Pero esto es facil usando n 2n de modo que 1 2 2 4 3 6 4 8 Como en el ejemplo anterior cada elemento de A se ha emparejado con un elemento de B y viceversa De ahi que tengan el mismo tamano Este es un ejemplo de un conjunto del mismo tamano que uno de sus subconjuntos propios algo imposible para conjuntos finitos Del mismo modo el conjunto de todos los pares ordenados de los numeros naturales es infinito numerable como puede verse siguiendo una trayectoria como la de la imagen La Funcion de emparejamiento de Cantor asigna un numero natural a cada par de los numeros naturales La representacion resultante es 0 0 0 1 1 0 2 0 1 3 2 0 4 1 1 5 0 2 6 3 0 Esta representacion abarca a todos los pares ordenados Curiosamente si trata a cada par como el numerador el y denominador de una fraccion vulgar a continuacion para cada fraccion positiva podemos llegar a una cantidad distinta que correspondera a la misma Esta representacion incluye tambien a los numeros naturales ya que cada numero natural es tambien una fraccion N 1 Por lo tanto podemos concluir que hay exactamente tantos numeros racionales positivos como numeros enteros positivos Esto es cierto tambien para todos los numeros racionales como puede verse a debajo Teorema El producto cartesiano de un numero finito de conjuntos numerables es numerable A veces mas de una representacion es util Aqui es donde se representa que el conjunto que se desea mostrar es infinito numerable en otro conjunto y luego representa este otro conjunto de los numeros naturales Por ejemplo los numeros racionales positivos pueden ser facilmente asignados a un subconjunto de los pares de numeros naturales porque p q representa a p q Y que ocurre con los subconjuntos infinitos de los conjuntos numerables infinitos Tienen estos menos elementos que N Teorema Cada subconjunto de un conjunto numerable es numerable En particular cada subconjunto infinito de un conjunto infinito numerable es infinito numerable Por ejemplo el conjunto de los numeros primos es contable mediante la asignacion del n esimo numero primo a n El 2 representa al 1 El 3 representa al 2 El 5 representa al 3 El 7 representa al 4 El 11 representa al 5 El 13 representa al 6 El 17 representa al 7 El 19 representa al 8 El 23 representa al 9 Que ocurre con los conjuntos que son naturalmente mayores que N Por ejemplo el conjunto de los enteros Z o el conjunto de los numeros racionales Q que intuitivamente puede parecer mucho mas grande que N Pero las apariencias enganan ya que afirmamos que Teorema Z el conjunto de todos los enteros y Q el conjunto de todos los numeros racionales son contables De una manera similar el conjunto de los numeros algebraicos es contable 8 Teorema Cualquier union finita de conjuntos contables es contable Q puede definirse como el conjunto de todas las fracciones del tipo a bdondeaybson numeros enteros conb gt 0 Esto se puede corresponder con el subconjunto de triples ordenados de numeros naturales a b c de tal manera que sia 0 yb gt 0 aybson coprimos yc 0 1 luegoc 0 sia b 0 yc 1 en caso contrario El 0 representa a 0 1 0 El 1 representa a 1 1 0 El 1 representa a 1 1 1 El 1 2 representa a 1 2 0 El 1 2 representa a 1 2 1 El 2 representa a 2 1 0 El 2 representa a 2 1 1 El 1 3 representa a 1 3 0 El 1 3 representa a 1 3 1 El 3 representa a 3 1 0 El 3 representa a 3 1 1 El 1 4 representa a 1 4 0 El 1 4 representa a 1 4 1 El 2 3 representa a 2 3 0 El 2 3 representa a 2 3 1 El 3 2 representa a 3 2 0 El 3 2 representa a 3 2 1 El 4 representa a 4 1 0 El 4 representa a 4 1 1 Con la prevision de saber que hay conjuntos numerables podemos preguntarnos si este ultimo resultado puede ser ampliado La respuesta es si y no podemos extenderlo pero tenemos que asumir un nuevo axioma para hacerlo Teorema Asumiendo el axioma de la eleccion numerable La union de una cantidad numerable de conjuntos numerables es numerable Por ejemplo dado el conjunto numerable a b c Enumeracion de numero contables de conjuntos numerables Usando una variante de la enumeracion triangular vista anteriormente a0 representa al 0 a1 representa al 1 b0 representa al 2 a2 representa al 3 b1 representa al 4 c0 representa al 5 a3 representa al 6 b2 representa al 7 c1 representa al 8 d0 representa al 9 a4 representa al 10 Tenga en cuenta que esto solo funciona si los conjuntos a b c son conjuntos disjuntos Si no es asi entonces la union es aun mas pequena y por lo tanto tambien enumerable mediante uno de los teoremas anteriores Tambien tenga en cuenta que necesitamos el axioma de la eleccion contable para indexar todos los conjuntos a b c simultaneamente Teorema El conjunto de todas las secuencias de longitud finita de numeros naturales es contable Este conjunto es la union de secuencias de longitud 1 longitud 2 longitud 3 las cuales son conjuntos numerables producto cartesiano finito Asi que estamos hablando de una union numerable de conjuntos numerables que es contable por el teorema anterior Teorema El conjunto de todos los subconjuntos finitos de los numeros naturales es contable Teniendo un subconjunto finito se pueden ordenar los elementos en una secuencia finita Solo hay una cantidad numerable de secuencias finitas por lo que tambien hay solo una cantidad numerable de subconjuntos finitos El siguiente teorema proporciona formulaciones equivalentes en terminos de una funcion biyectiva o sobreyectiva Una prueba de este resultado se puede encontrar en el texto de Lang Teorema basico Sea S un conjunto Los siguientes enunciados son equivalentes S es contable es decir existe una funcion inyectiva f S N o S esta vacio o existe una funcion sobreyectiva g N S o S es finita o existe una biyeccion h N S El teorema de Cantor afirma que si A es un conjunto y P A es su conjunto potencia es decir el conjunto de todos subconjuntos de a entonces no hay ninguna funcion sobreyectiva de A a P A Una prueba se da en el articulo del teorema de Cantor Como consecuencia inmediata de esto y el teorema basico anterior tenemos Proposicion El conjunto P N no es contable es decir es incontable Para una elaboracion de este resultado vease el argumento diagonal de Cantor El conjunto de los numeros reales es incontable ver primera prueba de incontabilidad de Cantor y tambien lo es el conjunto de todas las secuencias infinitas de los numeros naturales Algunos detalles tecnicos EditarLas pruebas de las declaraciones contenidas en el apartado anterior se basan en la existencia de funciones con ciertas propiedades Esta seccion presenta las funciones mas utilizadas en este papel pero no la comprobacion de que estas funciones tienen las propiedades requeridas El teorema basico a menudo se utiliza para simplificar las pruebas Observe que N en este teorema puede ser sustituido por cualquier conjunto infinito numerable Proposicion Cualquier conjunto finito es contable Prueba Por definicion existe una biyeccion entre un conjunto finito no vacio S y el conjunto 1 2 n para cualquier numero natural positivo n Esta funcion es una inyeccion de S en N Proposicion Cualquier subconjunto de un conjunto numerable es numerable 9 Prueba La restriccion de una funcion inyectiva a un subconjunto de su dominio sigue siendo inyectiva Proposicion Si S es un conjunto numerable y x S entonces S x es numerable 10 Prueba Sea f S N una inyeccion se define g S x N como g x 0 y g y f y 1 para toda y en S Esta funcion g es una inyeccion Proposicion Si A y B son conjuntos numerables entonces A B son numerable 11 Prueba Sean f A N y g B N inyecciones se define una nueva inyeccion h A B N como h x 2f x si x esta en A y h x 2g x 1 si x esta en B pero no en A Proposicion El producto cartesiano de dos conjuntos numerables A y B es numerable 12 Prueba Observe que N N es contable por definicion porque la funcion f N N N dada por f m n 2m3n es inyectiva 13 Entonces sigue el teorema basico del producto cartesiano donde dos conjuntos numerables cualesquiera tienen un producto numerable Si A y B son contables existen subyecciones f N A y g N B Asi que f g N N A Bes una subyeccion de un conjunto numerable N N al conjunto A B y el corolario implica que A B es contable Este resultado generaliza el producto cartesiano de cualquier coleccion finita de conjuntos numerables y la demostracion por induccion del numero de conjuntos en la coleccion Proposition Los enteros Z son contables y los numeros racionales Q son contables Prueba Los enteros Z son contables debido a la funcion f Z N dada por f n 2n si n no es negativo f n 3 n si n es negativo es una funcion inyectiva Los numeros racionales Q son contables debido a la funcion g Z N Q dada por g m n m n 1 es una subyeccion del conjunto numerable Z N ha los racionales Q Proposition Los numeros algebraicos A son numerables Prueba Ya que todos los numeros algebraicos incluyendo a los numeros complejos son raices de un polinomio Sea un polinomio a 0 x 0 a 1 x 1 a 2 x 2 a n x n displaystyle a 0 x 0 a 1 x 1 a 2 x 2 cdots a n x n y el numero algebraico a displaystyle alpha es la k esima raiz del polinomio En primer lugar ordenados por valor absoluto de menor a mayor a continuacion ordenados por el argumento de menor a mayor Podemos definir una funcion inyectiva es decir una a una f A Q dada por f a 2 k 1 3 a 0 5 a 1 7 a 2 p n 2 a n displaystyle f alpha 2 k 1 cdot 3 a 0 cdot 5 a 1 cdot 7 a 2 cdot dots cdot p n 2 a n cdot dots donde p n displaystyle p n es el n esimo primo Proposicion Si An es un conjunto contable para cada n en N entonces la union de todos los An es tambien contable 14 Prueba Esto es una consecuencia del hecho de que para cada n existe una funcion subyectiva gn N An y por lo tanto la funcion G N N n N A n displaystyle G mathbf N times mathbf N to bigcup n in mathbf N A n dada por G n m gn m es una subyeccion Ya que N N es numerable el corolario implica que la union es contable Usamos el axioma de la eleccion numerable en esta prueba para escoger para cada n in N una subyeccion gn de la coleccion no vacia de subyecciones de N a An Una prueba topologica para la incontabilidad de los numeros reales se describe en la propiedad de la interseccion finita Modelo minimo de la teoria de conjuntos EditarSi hay un conjunto que es un modelo estandar ver modelo interno de la teoria de conjuntos de ZFC entonces no hay un modelo estandar minimo ver universo constructible El teorema de Lowenheim Skolem se puede utilizar para demostrar que este modelo minimo es contable El hecho es que la nocion de incontabilidad tiene sentido en este modelo y en particular este modelo M contiene elementos que son Subconjuntos de M por lo tanto contables Pero incontables bajo el punto de vista de MEn los primeros dias de existencia esta teoria fue considerada como una paradoja vease paradoja de Skolem El modelo estandar minimo incluye a todos los numeros algebraicos y a todos los numeros trascendentales efectivamente computables asi como a muchos otros tipos de numeros ordenes totales EditarLos conjuntos numerables pueden ser ordenados totalmente de diversas maneras por ejemplo Con un buen orden vease tambien numero ordinal El orden habitual de los numeros naturales 0 1 2 3 4 5 Los numeros enteros en el orden 0 1 2 3 1 2 3 Otros sin un buen orden El orden habitual de numeros enteros 3 2 1 0 1 2 3 El orden habitual de los numeros racionales no se puede escribir de forma explicita como una lista ordenada Notese que en ambos ejemplos del buen orden cualquier subconjunto tiene un elemento menor y en los ejemplos de las ordenaciones sin buen orden algunos subconjuntos no tienen un elemento menor Esta es la definicion clave que determina si una orden total es tambien un buen orden Ejemplos Editarn p 1 2 2 0 3 4 4 2 5 6 6 4 7 8 8 6 displaystyle begin array rcr hline n amp longmapsto amp p hline 1 amp longmapsto amp 2 2 amp longmapsto amp 0 3 amp longmapsto amp 4 4 amp longmapsto amp 2 5 amp longmapsto amp 6 6 amp longmapsto amp 4 7 amp longmapsto amp 8 8 amp longmapsto amp 6 cdots amp longmapsto amp cdots end array El conjunto de todos los numeros pares es numerable porque la funcion f N P n p f n displaystyle begin array rccl f amp N amp longrightarrow amp P amp n amp longmapsto amp p f n end array f n p n 1 s i n es impar p 2 n s i n es par displaystyle f n begin cases p n 1 amp si amp n text es impar p 2 n amp si amp n text es par end cases es una biyeccion cada numero natural corresponde a un unico numero par y viceversa El conjunto Z displaystyle mathbb Z de todos los enteros tambien es numerable Ademas el conjunto Q displaystyle mathbb Q de todos los numeros racionales es numerable 15 El conjunto N N displaystyle mathbb N times mathbb N es numerable Se deriva del enunciado anterior que el conjunto de todos los racionales tambien es numerable teniendo en cuenta que N N Q displaystyle mathbb N times mathbb N mathbb Q donde N displaystyle mathbb N no contiene el 0 Por induccion puede probarse que N k Z k Q k displaystyle mathbb N k mathbb Z k mathbb Q k son numerables para cualquier numero natural k Vease tambien EditarNumero ordinal teoria de conjuntos Alef cardinales Contar Numero cardinal Paradoja del hotel de Hilbert Conjunto finito Conjunto infinito Espacio compacto Conjunto no numerable Hipotesis del continuoNotas y referencias Editar Stillwell John C 2010 Roads to Infinity The Mathematics of Truth and Proof CRC Press p 10 ISBN 9781439865507 El descubrimiento de Cantor de los conjuntos numerables en 1874 fue uno de los eventos mas inesperados de la historia de las matematicas Antes de 1874 el infinito no estaba considerado un numero matematico por la mayoria de la gente de ahi la necesidad de distinguir entre contable e incontable Cantor 1878 p 242 Ferreiros 2007 pp 268 272 273 y en 1873 en su correspondencia con Dedekind Cantor 1874 Uber eine Eigenschaft des Inbegriffes aller reellen algebraischen Zahlen Journal de Crelle 77 p258 262 ver el centro de numeracion de Gottingen 1 enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Disponemos del origen de esta demostracion que todavia no es la demostracion mas conocida que utiliza el argumento diagonal gracias a las cartas del 7 y 9 de diciembre de 1873 de Georg Cantor a Richard Dedekind Demostracion de Dedekind segun su correspondencia Vease por ejemplo Kneale and Kneale The development of Logic Clarendon Press 1962 p 673 Kamke 1950 Halmos 1960 Avelsgaard 1990 Avelsgaard 1990 Halmos 1960 Avelsgaard 1990 Fletcher y Patty 1988 Se dispone en un cuadro cuya cada fila corresponde a fracciones que tienen el mismo numerador luego se van uniendo racionales de diferentes filas Datos Q185478 Multimedia Category Countable setsEnlaces externos EditarEsta obra contiene una traduccion total derivada de Countable set de la Wikipedia en ingles concretamente de esta version publicada por sus editores bajo la Licencia de documentacion libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribucion CompartirIgual 3 0 Unported Obtenido de https es wikipedia org w index php title Conjunto numerable amp oldid 134543219, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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