Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta



Samankaltaiset tiedostot
Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

Matematiikan tukikurssi

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

Matematiikan tukikurssi

Induktio kaavan pituuden suhteen

Matematiikan tukikurssi 3.4.

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

815338A Ohjelmointikielten periaatteet Harjoitus 7 Vastaukset

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

Johdatus L A TEXiin. 6. Omat komennot ja lauseympäristöt Markus Harju. Matemaattiset tieteet

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

Merkitse kertolasku potenssin avulla ja laske sen arvo.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

a b 1 c b n c n

Funktion raja-arvo 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot

Johdatus matematiikkaan

Lisää segmenttipuusta

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

Harjoitus 1 -- Ratkaisut

renkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

n! k!(n k)! n = Binomikerroin voidaan laskea pelkästään yhteenlaskun avulla käyttäen allaolevia ns. palautuskaavoja.

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Luento 6. June 1, Luento 6

Merkintöjen tekeminen pohjakuvaan Libre Officella v.1.2

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Lukujonon raja-arvo 1/7 Sisältö ESITIEDOT: lukujonot

6. Tekijäryhmät ja aliryhmät

Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

1 Peruslaskuvalmiudet

Rekursio. Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Diskreetit rakenteet

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Lauri Tarkkonen: Kappa kerroin ja rinnakkaisten arvioitsijoiden yhdenmukaisuus

MAT Algebra 1(s)

Algoritmit ja tietorakenteet Copyright Hannu Laine. 1, kun n= 0. n*(n-1)!, kun n>0;

Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

Tekijät: Hellevi Kupila, Katja Leinonen, Tuomo Talala, Hanna Tuhkanen, Pekka Vaaraniemi

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Lukujoukot luonnollisista luvuista reaalilukuihin

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

Racket ohjelmointia. Tiina Partanen 2014

Matematiikan tukikurssi

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Lineaarialgebra a, kevät 2019 Harjoitus 6 (ratkaisuja Maple-dokumenttina) > restart; with(linalg): # toteuta ihan aluksi!

815338A Ohjelmointikielten periaatteet Harjoitus 6 Vastaukset

Yhteinen ehdotus NEUVOSTON ASETUS. rajoittavista toimenpiteistä Keski-Afrikan tasavallan tilanteen huomioon ottamiseksi

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

niin järjestys on tämä: ensin kerto- ja jakolaskut vasemmalta oikealle, sen jälkeen plus- ja miinuslaskut vasemmalta oikealle.

Harjoitus 4 -- Ratkaisut

Scilab ohjelman alkeisohjeet

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

Jäännösluokat. Alkupala Aiemmin on tullut sana jäännösluokka vastaan. Tarkastellaan

EUROOPAN YHTEISÖJEN KOMISSIO. Ehdotus: NEUVOSTON ASETUS. neljännesvuosittaista julkista velkaa koskevien tietojen laatimisesta ja toimittamisesta

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

4 Matemaattinen induktio

Harjoitus 1 -- Ratkaisut

Kuntosaliharjoittelun kesto tunteina Kokonaishyöty Rajahyöty

etunimi, sukunimi ja opiskelijanumero ja näillä

Neljän alkion kunta, solitaire-peli ja

LAUSEKKEET JA NIIDEN MUUNTAMINEN

Matematiikan tukikurssi

TIEA341 Funktio-ohjelmointi 1, kevät 2008

DISKREETTIÄ MATEMATIIKKAA.

Johdatus Ohjelmointiin

Tarjoajalla on oltava hankinnan kohteen laatu ja laajuus huomioon ottaen kokemusta seuraavilla alueilla:

Nopea kertolasku, Karatsuban algoritmi

Matemaatiikan tukikurssi

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Tutustu merkintöihin! Tärkeää tietoa siitä, miten varmistat pesu- ja puhdistusaineiden käytön turvallisuuden kotona

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

Algebra I, harjoitus 5,

3. Kongruenssit. 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2


1 sup- ja inf-esimerkkejä

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

Transkriptio:

Simo K. Kivelä, 15.4.2003 Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta Aksioomat Luonnolliset luvut voidaan määritellä Peanon aksioomien avulla. Tarkastelun kohteena on tällöin joukko, jolle annetaan nimi ja jonka alkioilla oletetaan olevan seuraavat ominaisuudet: 1) Joukossa on alkio u. 2) Jokaista joukon alkiota p kohden on olemassa yksikäsitteinen alkio s p, jota sanotaan alkion p seuraajaksi. 3) Alkio u ei ole minkään alkion seuraaja. 4) Jos s p s q, niin p q. 5) Olkoon S on jokin joukon osajoukko, jolla on ominaisuudet a) u S, b) jos p S, niin myös s p S. Tällöin S. Näitä viittä ominaisuutta sanotaan Peanon aksioomiksi ja joukkoa luonnollisten lukujen joukoksi. Aksioomien määrittämä jounon rakenne tulee ymmärrettävämmäksi seuraavasti: Alkio u saakoon nimekseen '1'. Aksiooman 2 mukaan tällä on seuraaja s u, joka saakoon nimekseen '2'. Tällä on edelleen seuraaja u, jonka nimi olkoon '3'. Näin jatketaan. Kaikkiaan syntyy ketju joukon alkioita, ts. eräs joukon osajoukko. Tällä on aksioomassa 5 joukolta S vaaditut ominaisuudet, jolloin siis ketju on sama kuin. Joukossa ei siis ole muita alkioita kuin u ja tämän seuraajat: u, s u, u, s u jne. Nimien antaminen luvuille Seuraavassa on tarkoitus määritellä joukon alkioille yhteen- ja kertolasku. Jotta alkioita voidaan myös käsitellä niiden nimien avulla, määritellään seuraavat Mathematican apufunktiot: In[1]:= In[2]:= luku nimi_string : Nest s, u, ToExpression nimi 1 nimi p_s : ToString p. s Function x, x 1, u 1 ; nimi u : ToString 1

2 peano.nb Näistä edellinen saa argumentikseen luvun nimen ja palauttaa luvun seuraajafunktion s avulla esitettynä. Jälkimmäinen on tämän käänteisfunktio. Esimerkiksi: In[3]:= Out[3]= luku "7" u In[4]:= Out[4]= 5 In[5]:= Out[5]= 12 nimi u nimi luku "12" In[6]:= Out[6]= luku nimi u u In[7]:= Out[7]= 1 nimi u In[8]:= Out[8]= luku "1" u Aksioomista seuraa myös, että samalle alkiolle ei tässä anneta kahta eri nimeä: Jos nimet ovat erilaiset, kyseessä on myös kaksi eri alkiota. Laskutoimitusten määrittely Luonnollisten lukujen yhteen- ja kertolasku on määriteltävä induktiivisesti, ts. ensin määritellään ne laskutoimitukset, joissa toisena argumenttina on u. Yleinen tapaus palautetaan tämän jälkeen rekursiivisesti edeltäjää koskevaan laskutoimitukseen. Tällöin aksioomasta 5 seuraa, että laskutoimitus tulee määritellyksi kaikille joukon alkioille. Laskutoimitus on itse asiassa kahden muuttujan funktio. Esimerkiksi yhteenlasku saa kaksi argumenttia, yhteenlaskettavat, ja funktion arvona on näiden summa. Määriteltävien funktioden nimet olkoot summa ja tulo: Yhteenlasku: In[9]:= summa p_, u : s p summa p_, s q_ : s summa p, q Kertolasku: In[11]:= tulo p_, u : p tulo p_, s n_ : summa tulo p, n, p Esimerkkinä olkoon lukujen 7 ja 8 yhteen- ja kertolasku: Nimien perusteella muodostetut luvut ovat In[13]:= Out[13]= a luku "7" u

peano.nb 3 In[14]:= Out[14]= b luku "8" s u Näiden summa on In[15]:= Out[15]= c summa a, b u ja sitä vastaava nimi In[16]:= Out[16]= 15 nimi c Lukujen tulo on In[17]:= Out[17]= d tulo a, b s ja tämän luvun nimi In[18]:= Out[18]= 56 nimi d Erityisesti: In[19]:= Out[19]= 7 In[20]:= Out[20]= 7 tulo u, a nimi tulo a, u nimi Myös monimutkaisempia lausekkeita voidaan laskea: In[21]:= In[22]:= Out[22]= a luku "2" ; b luku "3" ; c luku "4" ; d luku "5" ; v1 summa tulo a, summa b, c, tulo d, tulo a, a s u In[23]:= Out[23]= 34 nimi v1

4 peano.nb Mathematican rakenteessa olevat rajoitukset Edellä olevalla tavalla määritellyissä laskutoimituksissa on syytä välttää liian suuria lukuja. Määritelmät ovat nimittäin rekursiivisia ja Mathematicalla on rajoitettu rekursioiden syvyys. Rajoitus ilmenee muuttujasta In[24]:= Out[24]= 300 $RecursionLimit Esimerkki epäonnistumisesta: In[25]:= In[26]:= Out[26]= e luku "260" ; v2 summa a, e s s s

peano.nb 5 In[27]:= Out[27]= v3 summa e, a s s s In[28]:= Out[28]= 262 Out[29]= 262 v2 nimi v3 nimi Esimerkin laskeminen epäonnistuu toisinpäin, mutta onnistuu toisinpäin, koska yhteenlaskun määritelmä ei ole symmetrinen (vaikka määritelmän tuloksena syntyvä yhteenlasku onkin). Rekursiorajaa voidaan muuttaa, minkä jälkeen edellä olevat laskut voi ajaa uudelleen: In[30]:= $RecursionLimit 300 Out[30]= 300 Helpomman algebran rakentaminen määritelmien varaan Funktioiden summa ja tulo kirjoittaminen moneen kertaan laskettavaan lausekkeeseen tekee lausekkeiden syöttämisen hankalaksi. Lukujen neliösumma esimerkiksi olisi

6 peano.nb In[31]:= Out[31]= v4 summa tulo a, a, summa tulo b, b, summa tulo c, c, tulo d, d s In[32]:= Out[32]= 54 v4 nimi Ottamalla käyttöön laskutoimituksille sopivat symbolit päästään hieman yksinkertaisempaan esitykseen. Symboli tarkoittaa funktiota nimeltään CirclePlus ja symboli funktiota CircleTimes. Kun nämä asetetaan tarkoittamaan edellä määriteltyjä laskutoimituksia, voidaan lausekkeet syöttää niiden avulla: In[33]:= Out[33]= Out[34]= In[35]:= Out[35]= CirclePlus summa CircleTimes tulo summa tulo v5 a a b b c c d d s In[36]:= Out[36]= 54 v5 nimi Syötteestä on voitu jättää sulut pois kertolaskujen ympäriltä, koska Mathematicassa on sisäänrakennettuna operaatioiden suoritusjärjestys: suoritetaan ensin, sitten. Kaikkia sulkuja sen sijaan ei voida jätää pois, koska funktiota summa ei ole määritelty useammalle kuin kahdelle argumentille; sama koskee funktiota tulo. In[37]:= Out[37]= v6 a a b b c c d d summa s u, u, s u, s s u Tilanne voidaan korjata antamalla lisämääritelmät, joissa kolmen tai useamman argumentin summa ja tulo palautetaan kahden argumentin summaksi ja tuloksi. (Yhdellä alaviivalla merkitty symboli tarkoittaa mitä tahansa yhtä argumenttia, kahdella alaviivalla (pitempi alaviiva) merkitty vastaavasti yhtä tai useampaa argumenttia.) In[38]:= summa x_, y_, z : summa x, summa y, z tulo x_, y_, z : tulo x, tulo y, z Tämän jälkeen lasku onnistuu ilman sulkuja: In[40]:= Out[40]= v6 a a b b c c d d s

peano.nb 7 In[41]:= Out[41]= 54 v6 nimi Harjoitustehtäviä 1) Luonnolliset luvut voidaan yhtä hyvin nimetä siten, että alkio u saa nimekseen '0', ts. pienin luonnollinen luku ei olekaan ykkönen vaan nolla. Tämä heijastuu kuitenkin laskutoimitusten määrittelyyn. Muunna määritelmät siten, että ne vastaavat tätä tilannetta. 2) Luonnollisille luvuille voidaan eräissä tapauksissa määritellä vähennyslasku: suuremmasta luvusta voidaan vähentää pienempi, mutta ei pienemmästä suurempaa eikä yhtä suuria lukuja toisistaan (jos käytössä on määritelmä, missä pienin luonnollinen luku on ykkönen). Määrittele vähennyslasku rekursiivisesti seuraajaesityksiin perustuen. Huomaa, että Mathematican aritmeettisia operaatioita ei saa käyttää, vaan määritelmän on perustuttava yksinomaan seuraajaesityksiin. Jos annettujen lukujen erotus ei ole määritelty, tulee tästä antaa ilmoitus. 3) Täydennä edellä kehitettyä notaatiota (, ) potenssiinkorotussymbolilla valitsemalla tähän tarkoitukseen sopivan laskujärjestyksen antama symboli ja testaa määrittelysi toimivuus. (Ks. Mathematican dokumentaatiota: Operator Precedence.)