«) tales que: (A4) Si a s b son ntimeros reales y CONSTRUCC10N AX10MAT1CA DE LOS NUMEROS REALES. por
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1 ", CONSTRUCC10N AX10MAT1CA DE LOS NUMEROS REALES ============================================= por Hernando ;- PEREZ, 10 ~~E1~QQ~. Llaareos conjunto de los nueros reales a un conjunto (que denotareos por R) provisto de dos operaciones (+,.) y una relacion binaria «) tales que: Axioas algebraicos: (Al) Dados a, b eleentos de R, se tieneque a + b b + a y a b b-a. (A2) Si a, b, c son eleentos de R,entonces a + (b + c) = (a + b) + c y a-(b-c) = (a..b)-c (A3) Existen en R eleentos que denotareos por 0 y 1. ( 0 1) tales que ai a es un ntiero real cualquiera, entoncea a + o = a y 80 = a. (A4) Si a s b son ntieros reales y b 0, entonces existen a y b b_b- l = 1. (A5) Si a, b, c, son eleentos de R, entonces Axioas de orden: (01) Para a, b eleentos de R, se verifica una sola de las sig~ientes a- firaciones: a = b, a < b, b < a (02) Si 0 < a y 0 < b entonces 0 < a-b. (,03) S:L" a < b ent onces a + c < b + c, cualesquiera que sea c. (04) Si a < b Y b< c entonces a < c. Axioa topologico: (T) Todo subconjunto de R no vacio y acotado superiorente, adite un extreo superior.
2 NOTA 1. Si 0' es un eleento de R tal que a + 0'= a cualquiera que sea a en R, entonces 0'= 0' + 0 = 0 + 0'= O. De anera que, 0 es el u- nico elernento que satisface ssta propiedad. Podeos hacer la isa anotacion sabre 1. NOTA 2. Si a es un ntiero real dado y a' es un ntiero real tal que a + a' 0, entonces a'= a'+ 0 = a'+ (a + a) = (a'+ a) + a = (a + a') + a = o + a a. Dernanera que, cada ntiero real a tiene un tinico~lesto aditivo a. De la isa anera, podeos anotar que todo ntiero real diferente de 0 tiene un unico opuesto ultiplicativo. NOTA 3. De los axioas (Al) y (A5) podeos concluir 10 siguiente: a-(b + c) = (b + e)'a a-(b + c) = a-b + a -c b a + ca, de rnanera que (b + e)-a = b a + e,a Deostrareos ahora algunas propiedades iportantes. EBQEQ~~Q~Q~ 1. a. 0 = O. ~~Q~M4 1. Dados a, b eleentos de R, existe un tinico x en R tal ========= que a + x = b. Deostracion:a) Existencia. El nuero real a + b as tal que ========== a + (a; + b) = b b)!~~~~~~~o Si xl s x 2 son tales que a + xl = _b Y a + :%:2 = b, entonce-s a + xl = a + x 2 ' de anera que a + (a + xl) = a + (a + :%:2)' yentonces x l = QQBQ1~B~Q 1. Para a, b eleentos de R se cuple que a'b = a b. Deostracion: En efeeto, segun (A4), a b + aob_= 0, de anera que a~b es el unico, x tal que a.b + x = 0-, perc a,b + a:-.-b = (a + a:).b= O b = OJ es decir, a b + a..b = 0, por 10 tanto, a; b = a;q. ~16~
3 fqbq1~bq 2. Para a, b eleentos de R se cuple qua a"b = abo Deostracion: SegUn el corolario 1, teneos a#b + aob = 0; perc a b + a b = i. (b + b) = iioo = 0, luego a. b + a::b' = 0 y utilizando el teorerna l? concluios aob = a-b.= 0 fqbq1~bq 3. (a + b) = a + b. Deostracion: Teneos (a + b) + (a + b) :::: ~,a + b) + aj + b la + (b + a)) + b :::: la + (a: + b)1+ b = La + (a: + b)1 + b :::: lea + a) + b 1+ b (0 + b) + b = b + b 0, y coo (a + b) es (ico, resulta (a + b) = - a + "b. EBQEQefQ! 2. Si a as un nuero real diferenta de cero, entonces o < a a. Deostracion: Si a 0 entonces a < 0 o o < a ((01)), Supongaos que o < a, entonces 0 < a a, segun (02). Si a < 0, entonces a + a < o + a, segun (03), yentonoes 0 < a y, por 10 tanto, 0 < a'a a a. fqbq1!bq 10 0 < 10 Deostracion: 0 < 1 = 1. QQBQ1!BQ 2, El eleento :::: 2 es tal que 0 < 2. Deostracion: 0 < 1::::> < 1 + 1, es decir, 1 < 2, 3, por 10 tanto, 0 < 2? segun (04)0 PROPOSCON 3. Si a < b Z. 0 < o entonces a"c < b- c Deostracion: Si a < b entonces a + a < b + a, por (03), o sea 0 < b + a, y, por 10 tanto, o < (b + a).c? es deoir, 0 < boo + a-c :::: b'o + a'o, y entonces a'c < (boo + aoc) + a'c, as deoir, a"c < b c., rbqrqeqfq! 4, Si 0 < a entonces 0 < a Deostracion: Si a < 0 entonces a a < 0 a, as decir, 1 < 0, contrario a1 corolario 1 de la proposicion 2. Si a ::::0, entonces a - a Ooa, o sea 1 :::: 0, 10 cual es tabi~n contradictorio, De anera que, segun el axioa (01), 7-
4 debeos tener 0 < a- l En particular, 0 < 2-1 EBQEQ fqq~ 5 Si a, b son nueros reales tales que a < b, exist. un x en R tal que a < x Z x < b (a < x < b). Deostracion: Si a < b, entonces a + a < a + b < a + b.} b + b => => :.: : : :.:} -> Toando :x: = la proposicion queda deostrada. Observese que, coo a <:x: y x < b podeos encontrar y, z en R tales que a < y < x Z x < z < b. Aplicando este razonaiento repetidas veces, observaos que es un conjunto bastante grande. /' ;QJ2:Ef~fQfQ~1. Un subconjunto de R se llaa inductivo si satisface la propiedad siguiente: (J) Si x es un eleento de entonces x + 1 es un e1eento de. Par ejeplo, el con junto R es obviaente un conjunto inductivo; e1 conjunto = {O,1\ no es inductivo pues 1 es un eleento de, perc ~ 2 no es eleento de. Si a es un nuero real dado, llaareos 1a colee cion de todos los subconjuntos indcutivos de R que contienen a a; observeos que ~ es un eleento de esta colee cion. El conjunto = a n F ae'! a es un conjunto inductivo, pues si x es un eleen- to de entonces x es un eleento de cualquier F de 1a coleccion a por tanto, x + 1 tabien es un eleento de cualquiera de estos F, pues ellos son inductivos, y esto significa que x + 1 es un eleento de a Es claro t abi.en que a es un eleento de. Asi pues, es e1 enorconjunto ina a ductivo de nueros reales que contiene'a a. 8- <f'a y
5 ~ EfEfQfQ~2. Al conjunto N :1;0 10 llaaos el conjunto de los nueros naturales de R. Seg( la definicion, N es el enor subconjunto inductivo quecontiene a o. Es facil ve:r que a a + N = ta + n ; n E tr}. ~BQEQ!QfQE6. Si, n son eleentos de N, entonces + n es eleento de f. Deostracion: Toeos un eleento cualquiera de N. Definios +netr} (x as e1 conjunto de todos los eleentos n de N tales que + n es un e- leento de N). o E X pues + 0 = EN Si n EX, entonces + n E ti, y coo N es inductivo, entonces ( + n) + 1 E N, 10 cual significa que n + 1 EX Teneos, pues, que X contiene a 0, es inductivq y es un subconjunto de N, por 10 tanto, X = N, segun la definicion de N. Esto deuestra la proposicion. ~BQ~Q lqfq~7. Si,n son n-ueros naturales entonces en tabien es un ntiero natural. ~BQ~Q fqfq~8. Si n E N, entonces n = < n (es decir, 0 < n). Deo st r ao i.sne Sea X = { n E i ; o - < n \, teneos 0 E X ya que 0 < o. Si n E X, entonces 0 < n y, por 10 tanto, < n + 1, y entonces o < 1 < n + 1, de donde deducios n + 1 E X. Conc1u1os que X = N. Deostracion: = t EN; Sea X = { E N 0 1 lot. a) Sabeos que = {n+1 n EN}, por 10 tanto, 1 1 en. Adeas, segun 1a proposicion anterior, 0 < n + 1; perc n + 1 = 0, iplica n = 1, 10 cual es iposible, pues n E N Y entonces 0 < n (0 < 1 ip1ica 1 < 0); de anera que, o < n+1 y esto nos perite concluir que 1 1 c X. b) De otra parte, X as un 00njunto inductivo que eontiena a 1, 10 eual nos perite afirar que X c
6 QQBQ~~B~Q. Todo eleento de i diferente de a puede escribirse coo = n+l, donde n pertenece a N. EBQEQ fqfq~ 10. Si, n E N Z n <, entonces + n E fl. Deo st r-aclon e Sea X = {n E i; cualquiera sea E fi con n < se tiene + n EN}. a E X, pues a = a y + a. Adeas, X es inductivo: en~ecto, supongaos que n E X yescojaos EN tal que n+l <, entonces n < y, por 10 tanto, + n E N, perc + n f 0, PU9S de 10 contrario n; de anera que, + n = k + 1, con ken; de 10 cual podeos concluir que ( + n) + 1= k. a sea que + (n + 1) pertenece a N, 10 cual significa que n+l E X. Se concluye entonces que X = N. EBQ!:Q fqfq~11. Si x E R es tal que a < x < 1, entonces x i N. Deostracion: Supongaos que existe x ENtal que a < x < 1. Coo x f 0, x = k + 1, con ken; entonces k + 1 < 1 y concluios que k < 0, Y esto contradice la proposicion 8. QQBQ~~RJQ. Si n E iz x E R son tales que n < x < n+l, entonces x i N. Deostracion: Suponiendo que existe x ENtal que n < x < n + 1, entonces a < x + n < 1, y coo n < x, x + n E N, por la proposicion la, contradiciendo la proposicion anterior. es un subconjunto de i entonces existe un eleento k o E T tal que si k E T entonces k < k, o Deostracion: Si 0 E T, entonces toando k = a el teorea queda de-.0 ostrado segun la proposicion 8. Si 0 i T, foreos el conjunto H={nEi;(Y)(EN y <n entonces it)} a es un eleento de H y si H fuese inductivo, entonces H = N de anera que T ~. Deanera que existe k l E H tal que k l + 1 i H. Toando k o tendreos que k E T~ ~ues de 10 contrario, o k l + 1 E H. Adeas, si k E T entonces k o < k, -20- k = o ya que k < k o iplica
7 (k l < k < kl+l = k o ' no es posible) y entonces kit. V. APLCACONES MPORTANTES DEL AXOMA TOPOLOG1CO. E~plicaci6n: Si A es un subconjunto de ~,un eleento belt se dice una cota supeior de A si (V a E A)( a ~ b). Una cota superior b de A se dice un extreo superior de A ~ si~toda otra cota superior c de A se tiene b < c. El axioa (T) afira que todo subconjunto no vacio A de fl tiene un extreo superior. NOTA 3. Si b as una cota supeior de A, todo ntiero real ayor que b es tabien una cota superior de A. El extreo superior de A es unico ya que el es la cota superior inia. rbq;eq lqtq~ 12. El conjunto N de los nueros naturales no esta acotado superiorente. Deostraci6n: Si Nesta acotado superiorente, podeos afirar que existe el extreo superior b de N. Coo b + 1 < b, entonces b + 1 no puede ser una cota superior de N, 10 cual nos perite afirar que existe n E fi tal que b + 1 < n, y entonces b < n + 1, 10 cual es iposible, pues n+l E fi y b es una cota superior de N. ;EBQ;EQ lqtq~ 13 (Propiedad arquiediana). Si x, y son nueros reales con o < x, existe ne l tal que y < nx. Deostraci6n: Si y < 0 podeos toar n =: 1. Supongaos, pue s, que 0 < y y que para todo n E 1 1 se tiene nx ~ s- El conjunto A {roc n E 1 1 } es entonces acotado, y, por 10 tanto, existe M E t tal que M es el extreo superi r de A. Por otra parte, A = t(n+l)x,. n E 1 2 ~ ; luego, si n E 1 2, i E 1 1 y, per 10 tanto, nx ~ M; entonces (n+'i)x< M + x, de 10 - cual concluios que M + x es una cota superior de A. Pero esto es iposible, pues M + x < M, y M es la enor cota superior de A. -21-
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