Numero naturale

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	«Dio ha creato i numeri interi, tutto il resto è opera dell'uomo»
	(Leopold Kronecker)

L'espressione "numeri naturali" spesso viene usata sia per la sequenza di numeri interi positivi (1, 2, 3, 4, ...) sia per quella dei numeri interi non negativi (0, 1, 2, 3, 4, ...).

Questi sono i primi numeri che si imparano da bambini e sono i più semplici da comprendere. I numeri naturali hanno due scopi principali: possono essere usati per contare ("ci sono 3 mele sul tavolo"), o per definire un ordinamento ("questa è la terza città più grande del Paese").

[modifica] Notazioni

In matematica si usa il simbolo N (a volte scritto come $\mathbb{N}$ ) per indicare l'insieme dei numeri naturali. Nella maggior parte della letteratura matematica contemporanea e nelle voci qui presenti si assume che l'insieme dei numeri naturali contenga anche lo zero; per evitare ogni ambiguità è spesso usata la dizione interi non negativi. Per mettere in evidenza che l'insieme contiene lo 0 si usano anche le scritture N⁰, $\mathbb{N}^{0}$ .

N₀ = { 0, 1, 2, ... }

Per indicare l'insieme dei naturali senza lo zero, si usa N^*,N⁺, N₊, $\mathbb{N}^+$ , $\mathbb{N}_+$ .

N^* = { 1, 2, ... }

Gli studiosi della teoria degli insiemi a volte denotano l'insieme dei numeri naturali con ω, in relazione al concetto di numero ordinale. Quando è usata questa notazione, lo zero è incluso.

[modifica] Definizioni formali

Nonostante la sua intuitività, quello di numero naturale non è, in matematica, un concetto primitivo: è infatti possibile darne una definizione basandosi unicamente sulla teoria degli insiemi. La definizione è utile perché permette anche di estendere il concetto di numero a oggetti più generali: i numeri transfiniti.

Storicamente, la precisa definizione matematica dei numeri naturali ha incontrato alcune difficoltà. Gli assiomi di Peano definiscono le condizioni che ogni definizione matematica precisa deve soddisfare. Alcune costruzioni mostrano che dall'interno di una teoria degli insiemi è possibile costruire un modello degli assiomi di Peano.

[modifica] Assiomi di Peano

Per approfondire, vedi la voce Assiomi di Peano.

Esiste un numero naturale, 0.
Ogni numero naturale a ha un numero naturale successore, denotato come S(a).
Non esiste un numero naturale il cui successore è 0.
Numeri naturali distinti hanno distinti successori: se a ≠ b, allora S(a) ≠ S(b).
Se una proprietà P è posseduta dallo 0 ed è posseduta anche dal successore di ogni numero naturale che possiede la proprietà P, allora la proprietà P è posseduta da tutti i numeri naturali. (Questo postulato è noto anche come principio di induzione)

Bisogna notare che lo "0", nella definizione sopra descritta, non deve necessariamente corrispondere con quello che si considera normalmente il numero zero. "0" significa semplicemente un oggetto che quando combinato con una funzione successiva appropriata, soddisfa gli assiomi di Peano. Ci sono molti sistemi che soddisfano questi assiomi, inclusi i numeri naturali (sia che partano da zero o da uno).

[modifica] Costruzione basata sulla teoria degli insiemi

Un numero naturale si può definire come una classe di insiemi aventi uguale cardinalità finita. In sostanza, si parte dalla proprietà (intuitiva) che tra due insiemi qualsiasi aventi lo stesso numero di elementi si può stabilire una corrispondenza biunivoca e la si riformula come definizione: tutti gli insiemi tra i quali si può stabilire una corrispondenza biunivoca vengono accomunati in una classe, che è come assegnare loro un'"etichetta", a questa etichetta viene dato il nome di numero naturale. La classe corrispondente all'insieme vuoto viene indicata con 0.

[modifica] La costruzione standard

La seguente è una costruzione standard nella teoria degli insiemi per definire i numeri naturali:

Poniamo 0 := { }, l'insieme vuoto (∅)

e definiamo S(a) = a U {a} per ogni a.

L'insieme dei numeri naturali è allora definito come l'intersezione di tutti gli insiemi contenenti 0 che sono chiusi rispetto alla funzione successione S.

Assumendo l'assioma dell'infinito, si può dimostrare che questa definizione soddisfa gli assiomi di Peano.

Ogni numero naturale è allora uguale all'insieme dei numeri naturali minori di esso, per esempio:

0 = { }
1 = {0} = {{ }}
2 = {0,1} = {0, {0}} = {{ }, {{ }}}
3 = {0,1,2} = {0, {0}, {0, {0}}} = {{ }, {{ }}, {{ }, {{ }}}}

e così via. Quando ci si riferisce ad un numero naturale come insieme, questo è il senso. Con questa definizione, ci sono esattametne n elementi nell'insieme n e n ≤ m sse n è un sottoinsieme di m.

Inoltre, con questa definizione, coincidono le differenti possibili interpretazioni delle notazioni come Rⁿ (n-tuple e mappe di n in R).

[modifica] Altre costruzioni

Nonostante la costruzione standard sia utile, non è l'unica costruzione possibile. Per esempio:

definiamo 0 = { }

e S(a) = {a},

quindi:

0 = { }
1 = {0} = {{ }}
2 = {1} = {{{ }}}, ...

Oppure si può definire 0 = {{ }} e S(a) = a U {a}

producendo

0 = {{ }}
1 = {{ }, 0} = {{ }, {{ }}}
2 = {{ }, 0, 1}, etc.

Discutibilmente la vecchia definizione basata sulla teoria degli insiemi è comunemente attribuita a Frege e Russell sotto la quale ogni numero naturale n è definito come l'insieme di tutti gli insiemi con n elementi. Questo può sembrare circolare, ma può essere esposto in modo rigoroso. Definendo 0 come ${{{}}$ (l'insieme di ogni insieme con 0 elementi) e definendo $σ(A)$ (per ogni insieme A) come $\{x\cup\{y\} \mid x \in A \wedge y \not\in x\}$ . Allora 0 sarà l'insieme di tutti gli insiemi con 0 elementi, $1 = σ(0)$ sarà l'insieme di tutti gli insiemi con 1 elemento, $2 = σ(1)$ sarà l'insieme di tutti gli elementi con 2 elementi, e così via. L'insieme di tutti i numeri naturali può essere definito come l'intersezione di tutti gli insiemi contenenti 0 come un elemento e chiuso sotto $σ$ .

Le classi di equivalenza degli insiemi infiniti non corrispondono a nessun numero naturale; possono tuttavia essere identificate con diversi ordini di infinito; su tali entità è possibile estendere le usuali operazioni di addizione e moltiplicazione ma queste non conservano le proprietà algebriche che hanno sui numeri naturali. Lo studio di oggetti corrispondenti a insiemi di cardinalità infinita e delle loro proprietà algebriche è oggetto della teoria dei cardinali transfiniti.

[modifica] Operazioni

L'operazione di addizione viene definita nel modo seguente: date due classi di insiemi (quindi due numeri) a e b, se A e B sono insiemi disgiunti appartenenti alle classi a e b rispettivamente, la somma a + b è la classe di equivalenza dell'insieme A U B. È facile vedere che la definizione è ben posta, vale a dire che, presi due diversi insiemi disgiunti A' e B' in a e b, A' U B' sta nella stessa classe di equivalenza di A U B, cioè tra A' U B' e A U B è possibile stabilire una corrispondenza biunivoca.

Equivalentemente si puo definire la somma in N ricorsivamente ponendo a + 0 = a e a + S(b) = S(a + b) per ogni a, b.

Se si definisce S(0) := 1, allora S'(b) = S(b + 0) = b + S(0) = b + 1; cioè il successore di b è semplicemente b + 1.

(N, +) è un monoide commutativo con l'elemento neutro 0, il cosiddetto monoide libero con un generatore.

Analogamente, una volta definita l'addizione, si può definire la moltplicazione × come a × 0 = 0 and a × S(b) = (a × b) + a.

Questo fa si che (N, ×) sia un monoide commutativo con l'elemento identità 1; un insieme generatore per questo monoide è l'insieme dei numeri primi. Addizione e moltiplicazione sono compatibili, ovvero sono distributivi:

a × (b + c) = (a × b) + (a × c). Queste proprietà dell'addizione e della moltiplicazione rendono i numeri naturali un esempio di semianello commutativo. I semianelli sono una generalizzazione algebrica dei numeri naturali dove la moltiplicazione non è necessariamente commutativa.

Se si interpretano i numeri naturali senza lo zero e si inizia dall'1, le definizioni di + e × sono le stessa, a parte a + 1 = S(a) e a × 1 = a.

Spesso si scrive ab per indicare il prodotto a × b e l'ordine delle operazioni.

Inoltre, si può definire una relazione di ordine totale sui numeri naturali scrivendo a ≤ b sse esiste un altro numero naturale c con a + c = b. Quest'ordine è compatibile con le operazioni aritmetiche nel seguente senso:

se a, b e c sono numeri naturali e a ≤ b, allora a + c ≤ b + c e ac ≤ bc. Un'importante proprietà dei numeri naturali è che essi sono ben ordinati: ogni insieme non vuoto di numeri naturali ha un ultimo elemento.

Mentre in generale non è possibile dividere un numero naturale con un altro e ottenere un numero naturale come risultato, la procedura di divisione con resto è possibile: per ogni coppia di numeri naturali a e b con b ≠ 0 si possono trovare due numeri naturali q e r tali che

a = bq + r e r < b

Il numero q è chiamato il quoziente e r è chiamato il resto della divisione di a con b. I numeri q e r sono unicamente determinati da a e b.

[modifica] Teorie

L'insieme dei numeri naturali si può caratterizzare univocamente (a meno di isomorfismi) mediante gli assiomi di Peano (nella logica del secondo ordine).

Le proprietà dei numeri naturali relativi alla divisibilità, la distribuzione dei numeri primi e a problemi collegati a questi sono studiate in quella che viene chiamata teoria dei numeri. I problemi riguardanti sequenze numeriche finite, altre configurazioni numeriche e problemi di enumerazione, quali la teoria di Ramsey, sono studiati nell'ambito della teoria combinatoria.

[modifica] Generalizzazioni

Due importanti generalizzazioni dei numeri naturali sono: i numeri ordinali per descrivere la posizione di un elemento in una successione ordinata e numeri cardinali per specificare la grandezza di un insieme.

[modifica] Cenno storico

Le origini dei numeri naturali vengono normalmente fatte risalire ai Babilonesi nel 2000 AC, come testimoniato dalla tavoletta Plimpton 322, "sussidiario di matematica" per gli studenti dell'epoca. Il superamento dei numeri naturali è attribuito ai pitagorici. Importanti risultati riguardanti i numeri interi sono contenuti negli Elementi di Euclide. Diofanto si pone i problemi della soluzione di equazioni riguardanti solo numeri interi. Risultati e spunti fondamentali sono dovuti a Pierre de Fermat. Lo studio dei numeri interi viene ripreso nel XIX secolo da matematici del livello di Carl Friedrich Gauss e Carl Jacobi e da allora viene considerato un capitolo primario della matematica (v.a. Ultimo teorema di Fermat)

Secondo Leopold Kronecker: "Dio ha creato i numeri interi, tutto il resto è opera dell'uomo".