陶哲轩实分析
首先我们想要的自然数是指一类数,彼此之间也是有关系的,我们需要两个基础概念:数0和增长运算,由0开始增长得到后面的其他的自然数,我们用n 来表示n后面的数,称为数n的“后继”,比如0 =1,(0 ) =2等等。
公理1:0是自然数。
关于0到底是不是自然数,本文就不讨论了。数学是基于公理体系下的符号游戏,只要不引起矛盾或纠纷,这个说法便是ok的。
公理2:若n是自然数,则n 也是自然数。
我们可以理解自然数集是0,0 ,(0 ) ,((0 ) ) ……这么一串数,只是为了书写方便,我们改为了0,1,2,3,4……
好像对于描述自然数,以上两条就够了,但我们还需更明确一些,关于每个数的后继。
用过这种计算器的应该会知道,如果算出的数结果很大,会显示归零。
同样对于自然数集,我们需要:
公理3:0不是任何自然数的后继,即对于任意自然数n,都有n ≠0。
规避掉归零的情况还不够,我们还需要保证,后面数的后继也不会归1、归2等等,比如4 ≠1,4 ≠2……
公理4:不同的自然数有不同的后继。若m、n是自然数且m≠n,则m ≠n ,等价地说,若m =n ,必有m=n。
对于自然数已经比较规范了,但对于运算来说还差点意思。
公理5:(数学归纳原理)
设P(n)是关于自然的是一个性质,假设P(0)是真的,并假设只要P(n)是真的,则P(n )也是真的。那么对于每个自然数n,P(n)都是真的。
就好比当我们有了1 1=2,便可得到2 1=3,3 1=4……
对于自然数,我们想要的是具有一般性的结论,而这一点需要数学归纳来完成。
自然数
自然数:存在一个数系N,称其元素为自然数,公理1—5对此数系成立。
皮亚诺
假装解决了第一个问题:什么是自然数。接下来该说说什么是加法了。
在前面我们提过自然数的一个基本运算:增长,表现了自然数之间的关联,在此基础上来建立加法运算。
加法:设m是自然数,定义:0 m=m。假定已经定义好如何使n加上m,那么定义(n )加上m为(n ) m=(n m) 。
比如当定义1 3=4时,那么2 3=(1 3) =4 =5,3 3=(2 3) =5 =6……
这还不够,m 0=m吗?以及n (m )=(n m) 吗?这些我们还都不知道呢,我们也希望同样由1 3=4能得到1 4=5。
证明1:对自然数m,m 0=m。
已知0 m=m但并不能由此直接得出m 0=m,我们还并不知道加法交换律这么回事。
公理告诉我们这里我们可以用的方法是数学归纳,
根据0 m=m以及0是自然数,可得:0 0=0
现假定n 0=n,根据加法定义,
那么(n ) 0=(n 0) =n
所以对任意自然数m,均有m 0=m。
证明2:对任意自然数n和m,n (m )=(n m)
依然数学归纳法
对n进行归纳,当n=0时,
0 (m )=(0 m)
假定n (m )=(n m) ,
接下来证(n ) (m )=((n ) m) 。
左式=(n (m )) =((n m) )
右式=((n m) )
故左式=右式。
准备工作做好了,剩下的任务就简单了。
假装理解了题目给我们暗示的两个条件:
(1)什么叫自然数;
(2)什么是加法。
是时候证明加法交换律了。
加法交换律:对于自然数n和m,n m=m n。
证明:对n进行归纳,
首先考虑当n=0时,0 m=m,m 0=m,故0 m=m 0成立,
假定n m=m n成立,下证:(n ) m=m (n )
根据加法定义:(n ) m=(n m)
根据证明2:m (n )=(m n)
根据假定:(m n) =(n m)
故(n ) m=m (n )
于是对任意自然数n、m,均有n m=m n。
我问佛,了解这玩意有什么意义?
佛说,你已经做了这么多无意义的事,又何必多在意这一件?
我不禁泪流满面