CONJUNTOS NUMÉRICOS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

            UNIDAD DE POST – GRADOS

MAESTRIA ENSEÑANZA DE LA MATEMATICA

     CURSO DE NIVELACIÓN

FUNDAMENTACIÓN Y EJERCITACIÓN MATEMÁTICA:

CONJUNTOS NUMÉRICOS

MORALES, FRANK CARLOS

SAN CRISTOBAL, 2000

“Las matemáticas son ilimitadas como ese espacio que les resulta demasiado estrecho para sus aspiraciones; sus posibilidades son tan infinitas…; intentar encerrarlas dentro de fronteras prefijadas, o reducirlas a definiciones eternamente válidas, es tan imposible como pretender hacer eso mismo con la conciencia de la vida,… (JAMES JOSEPH SILVESTER)”.

Con este pequeño comentario, se puede inferir que las matemáticas no se pueden catalogar en una definición, ya que están metidas en todas partes… Las matemáticas están cambiando a gran velocidad. Ha medida que transcurre el tiempo, la evolución de las matemáticas es vertiginoso. Las matemáticas son de gran relevancia porque combinan la importancia de la vida cotidiana con la fuerza arrolladora de la invención intelectual.

La verdad matemática es más definida y clara que en cualquier otra ciencia. De aquí su trascendencia a lo largo de todos estos siglos. Además, porque han sido creadas por los seres humanos; es quizá lo único creado por el hombre; lo demás lo hizo Dios…

Nos encontramos en un mundo que cada vez es más matemático… El poder lo tiene o lo tendrá el que sepa matemática…

Es increíble, hoy en día escuchar de otros: que las matemáticas son símbolos y expresiones formales; terminología desconcertante y cálculos tediosos y aburridos; ocultando con esto su esencia y su autentico carácter.

Las matemáticas no trata de símbolos y cálculos –estos son solo sus instrumentos. El objetivo de esta ciencia son los conceptos. Se trata sobre todo de ver el modo en que los diferentes conceptos se relacionan unos con otros. Así cuando nos tropezamos con un problema; se indaga todo lo relacionado y se desecha lo que no es esencial; pero su objetivo es comprender lo que ocurre y entonces llegar al fondo del problema. No se trata simplemente de hallar la respuesta correcta, sino más bien de comprender por qué existe una respuesta, si la hay, y por qué dicha respuesta presenta una determinada forma.

Entonces, los cálculos son simplemente un medio para llegar a un fin. Aunque no todo concepto es matemático, pero las matemáticas han de incluir siempre conceptos.

En las matemáticas, los problemas constituyen la fuerza motriz. A veces, es utilizado el ejemplo; el cual puede presentar una teoría.

Los conceptos matemáticos poseen una sorprendente larga vida; ya que tienen una estabilidad de la que carecen otras ciencias.

Es difícil, en verdad, llegar a conseguir conceptos matemáticos realmente buenos. Para ello, hay que tener una gran cantidad de conocimientos y pasar varios años de trabajo.

A parte de los problemas y ejemplos, se tiene la búsqueda  del “contexto adecuado” para un teorema o un concepto. Los matemáticos no se limitan a buscar “la respuesta” a un problema; desean un método que haga que esa respuesta parezca inevitable y les diga realmente lo que está pasando. Dicho método es el de la demostración. Pero, no es solamente la existencia de la demostración lo que importa a los matemáticos, sino, en primer lugar, el flujo de conceptos e ideas que permiten elaborar dicha demostración.

En conclusión, la matemática es una ciencia – esto es, un sistema de ideas establecidos provisionalmente, y como una actividad productora de nuevas ideas- formal, ya que se ocupa de inventar entes formales y de establecer relaciones entre ellos. Así mismo, el alcance de la matemática es ilimitado, por eso la llaman la “Reina y servidora de todas las ciencias”.

Ahora bien, es necesario repasar algunos de esos conceptos que nos han dejado a lo largo de todo este tiempo; así como, resolver algunos problemas, ejemplos y realizar demostraciones.

Existe en nuestros tiempos al menos cinco fuentes distintas de conceptos matemáticos, a saber, el número, la forma (Geometría), el modo de ordenar (Combinatoria, álgebra moderna, teoría de números), el movimiento (el cálculo) y el azar (Probabilidad y Estadística).

El más básico y mejor conocido es el número. Se piensa que, en sus orígenes, el número surgió a través del hecho de contar: propiedades, días, enemigos, entre otras cosas. La medición de longitudes y pesos llevó al descubrimiento de las fracciones y los números “reales”. En un alarde importante de imaginación matemática se crearon los números “imaginarios”, como por ejemplo:

En el concepto matemático de número, es en donde se hace énfasis de ahora en adelante. Específicamente, en el concepto de número real. A través de los conocimientos adquiridos del análisis matemático y del álgebra, que el conjunto de los números reales es un cuerpo ordenado y completo que se denota de la siguiente manera: (R, +, ·,<). 

El conjunto de los números reales (R), está conformado por la unión del conjunto de los números racionales con el conjunto de los números irracionales. El conjunto de los números racionales está conformado por los números que pueden expresarse siempre en la forma

donde a y b son enteros y b diferente de 0.

A continuación, se presenta el siguiente mapa numérico:

       

N es subconjunto de Z, Z es subconjunto de Q y Q unido con I es R.                                                                    

En donde:

N representa el conjunto de los números naturales;

Z representa el conjunto de los números enteros;

Q representa el conjunto de los números racionales;

I representa el conjunto de los números irracionales;

R representa el conjunto de los números reales.

A estos conjuntos, generalmente se les conoce con el nombre de “sistemas numéricos”.

Un sistema numérico es un concepto definido por propiedades. Los números pertenecientes a un sistema numérico deben cumplir con todas sus propiedades.

El conjunto de los números reales posee los siguientes axiomas (propiedades):

1.    Axiomas algebraicos:

a.    Axiomas de la suma:

10) Para todo a y b de R,

                        a + b = b + a (la adición es conmutativa)

20) Para todo a, b y c de R,

                        (a + b) + c = a + (b + c) (la adición es asociativa)

30) Existe un elemento 0 en R tal que

                        a + 0 = 0 + a para cada a de R.

40) Para cada a de R existe un elemento –a tal que

                        (-a) + a = a + (-a) = 0

En el lenguaje algebraico, los axiomas 1) – 4) expresan la afirmación de que (R, +) es un grupo abeliano.

b.    Axiomas de la multiplicación:

5)    Para todo a y b de R,

                        a . b = b . a (la multiplicación es conmutativa)

6)    Para todo a, b y c de R,

                        (a . b) . c = a . (b . c) (la multiplicación es asociativa)

7)    Existe un elemento 1 en R, 1 diferente de 0, tal que, para todo a que pertenece a R ,

                        1 . a = a . 1 = a

8)    Si a que pertenece a R y a diferente de 0 , entonces existe un elemento a^-1 de R tal que a·a^-1 = 1.

Los axiomas 5) – 8) y el conjunto R-{0} es, también, un grupo abeliano: (R-{0}, ·)

c.    Axioma de distributividad:

9)    Para todo a, b y c de R,

                        a . (b + c)= a . b + a . c

En el lenguaje algebraico, los axiomas 1) – 9) expresan que (R, ·) es un cuerpo.

2.    Axiomas de Orden:

10)  Para todo a que pertenece a R se da exactamente una de las tres posibilidades:

a < 0, a = 0, 0 < a.

11) Si a y b son de R y 0 < a y 0 < b, entonces 0 < a + b,

0 < a.b

12) Para todo a y b de R, a < b si, y sólo si, a – b < 0

En el lenguaje algebraico, los axiomas 1) – 12) expresan que (R, +, ·, <) es un cuerpo ordenado.

3.    El axioma de Completitud (completez):

13) Si A subconjunto de R es no vacío y está acotado superiormente, entonces A tiene un supremo.

A continuación se presenta una cuadro resumen de las propiedades de los sistemas numéricos elementales.

RESUMEN DE LAS PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS NUMÉRICOS

                    N    Z    Q     I     R

Sistema Numérico Propiedad
Cerradura (+)	X	X	X		X
Cerradura (-)		X	X		X
Cerradura (.)	X	X	X		X
Cerradura (:)*			X		X
Conmutatividad (+)	X	X	X	X	X
Conmutatividad (.)	X	X	X	X	X
Asociatividad (+)	X	X	X	X	X
Asociatividad (.)	X	X	X	X	X
Distributividad	X	X	X	X	X
Identidad (+)		X	X		X
Identidad (.)	X	X	X		X
Inversa (+)		X	X		X
Inversa (.)*			X		X
Orden	X	X	X	X	X
Densidad			X	X	X
Completo					X

(*) Excepto el numero cero (0).

En el 7mo. Grado de la Educación Básica de Venezuela, el docente al hablar de los números enteros, se encuentra con la dificultad de introducir a los estudiantes las leyes de multiplicación de los signos:

1.    (+) . (+) = +  ó  (a)(b) = a.b

2.    (+) . (-) = -  ó  (a)(-b) = -a.b

3.    (-) . (+) = -  ó  (-a)(b) = -a.b

4.    (-) . (-) = +  ó  (-a)(-b) = a.b

Para introducir en los estudiantes estas leyes, se puede realizar en clase el siguiente juego:

Si nos ubicamos en un hospital, en donde se necesita personal médico calificado con urgencia.

Ahora bien, supongamos que en el hospital tenemos:

Médicos buenos (+)

Médicos malos (-)

Además, decimos que:

Si llegan médicos al hospital es positivo o bueno (+)

Si salen médicos del hospital es negativo o malo (-)

Por último, tenemos que se cumple lo siguiente:

·         Si llega (+) un médico bueno (+) esto es positivo o bueno (+) para el hospital.

·         Si sale (-) un médico malo (-) esto es positivo o bueno (+) para el hospital.

·         Si sale (-) un médico bueno (+); es negativo o malo (-) para el hospital.

·         Si llega (+) un médico malo (-); es negativo o malo (-) para el hospital.

Con los cuatro enunciados anteriores; podemos construir la siguiente tabla:

	MEDICO BUENO (+)	MEDICO MALO (-)
LLEGA (+)	+	-
SALE (-)	-	+

De la tabla se puede concluir que:

(+) . (+) = +

(+) . (-) = -

(-) . (+) = -

(-) . (-) = +

Estas son las leyes de la multiplicación de los signos, que utilizaremos de ahora en adelante al multiplicar números enteros (números racionales y hasta los números reales).

Así tenemos que:

1.    (3) · (4) = 12

2.    (-3) · (4) = -12

3.    (3) · (-4) = -12

4.    (-3) · (-4) = 12

Desde la primaria sabemos que 3 x 4 = 12; pero, ¿Cómo efectuamos (-3) · (4)? Pues, muy fácil; veamos:

a)    Multiplicamos (los valores absolutos de) los números, es decir:  3 x 4 = 12

b)    Multiplicamos los signos (Aplicamos la ley de los signos:

      (-) · (+) = -. Es decir, el producto de un número negativo por un      número positivo es un número negativo).

Ahora, para un nivel de mayor exigencia; puede ser el universitario; podemos realizar las siguientes demostraciones:

                      i.        (a)(b) = a.b

                    ii.        (-a)(b) = -a.b

Demostración:

(-a) + a = 0; multiplicando por b tenemos:

(-a) · (b) + a · b = 0 · b

Pero, 0 · b = 0; esto se puede demostrar:

0 + 0 = 0;

a · (0 +0) = 0 · a;

0 · a + 0 · a = 0 · a;

0 · a + 0 · a + (- a · b) = 0 · a + (- a · b);

0 · a + (0 · a + (- a · b)) = 0 · a + (- a · b);

0 · a + 0 = 0;

0 · a = 0.

Entonces; volviendo a nuestra demostración:

(-a) · (b) + a · b = 0;

(-a) · (b) + a · b + (- a · b) = 0 + (- a · b);

(-a) · (b) + (a · b + (- a · b)) = - a · b;

(-a) · (b) + 0 = - a · b;

(-a) · (b) = - a · b.                                                    

La ley fue demostrada, aplicando las propiedades de los números reales.

                   iii.        (a)(-b) = -a.b

La demostración es análoga a la anterior.

                   iv.        (-a)(-b) = a.b

Demostración:

(-a) + a = 0;

(-b) · ((-a) + a) = (-b) · 0;

(-a) · (-b) + a · (-b) = 0;

(-a) · (-b) + (- a · b) = 0;

(-a) · (-b) + a · b + (- a · b) = a · b + 0;

(-a) · (-b) + 0 = a · b;

(-a) · (-b) = a · b

Ahora, en cuanto a la densidad, es una propiedad de algunos sistemas numéricos (Q, I y R) que consiste: para cualesquiera a y b existe una infinidad de otros puntos en la recta numérica o eje numérico.

Como el conjunto de los números racionales cumple con los axiomas de orden; en la recta real al representar a Q, es imprescindible tener presente la existencia de infinitos números racionales entre dos números racionales (densidad).

Por ejemplo; tomemos un segmento de recta de longitud igual a la unidad (1).

        A            B

El segmento AB lo podemos dividir en dos pedazos o segmentos de recta iguales (aunque no es necesario que sean iguales):

         A     C                   C’       B                AC = C’B = ½

O se puede dividir en cuatro pedazos iguales:

        A   C        C’    D        D’    E       E’    B        AC = C’D = D’E = E’B = ¼

Y, así sucesivamente, siguiendo el mismo procedimiento, encontramos tantos pedazos iguales como se quiera. Y la longitud de cada pedazo representa un número racional.

Pero, si dibujamos ese segmento en la recta real; como se ve en la figura:

Dividiendo el segmento en de recta entre 0 y 1 en tantos pedazos iguales (no es necesario que sean iguales) como queramos, graficamos todas esas divisiones en el mismo sistema de coordenadas unidimensional (la recta real); entonces se puede decir que:

Entre dos números racionales cualesquiera hay infinitos números racionales.

Por tanto, se puede afirmar que el conjunto de los números racionales es denso (sin embargo, no cubre toda la recta).

Formalizando un poco, podemos decir que el punto medio entre a y b, (a+b)/2

correspondiente a la media aritmética de los números a y b, es nuevamente racional. Si continuamos, con este procedimiento, obtenemos un número bastante grande de puntos  racionales entre a y b.

Se demostrará que dados los racionales a y b, el número (a+b)/2 esta “comprendido” entre a y b.

Demostración:

Sean a y b dos números racionales.

Como a y b son racionales, por los axiomas de orden, tenemos que o  a < b o a > b.

Tomemos el caso cuando a < b

En el caso que b<a , la demostración es análoga.

Por lo tanto, el número racional (a+b)/2 está comprendido entre a y b.

Por último, se tiene que a cualquier punto de la recta numérica le corresponde un número real único, y recíprocamente, a cualquier número real, le corresponde un punto y solamente uno de la recta numérica. Por lo tanto, la recta numérica en donde se representan los números reales no posee espacios vacíos. Considerándose que tal recta es densa, y por ende, el conjunto de los números reales es denso.

Uno de los muchos “huecos” dejados por los números racionales (a pesar de ser denso Q) es 

que es un número irracional. Veamos porqué:

¿Existe alguna fracción cuyo cuadrado sea igual a 2?

Demostración.

Sean p y q enteros positivos.

; de donde obtenemos que

 (i)

Supongamos que p y q no tienen factores en común. De (i) obtenemos que p² es par. (ii) Si p² es un número par; entonces p es par (Demostrémoslo).

Sub – demostración.

p² es par

p² es par y suponemos que p es impar, tenemos que

 

De donde;  es un entero par y  + 1 es un entero impar.

Por tanto, existe una contradicción con nuestra hipótesis. Así que; p es par.

Como p es par; p se puede escribir como 2n se obtiene

; de donde

;

Consecuentemente,  es par, y realizando una demostración análoga a la anterior, entonces q es par. Es decir, p y q tienen ambos el factor 2. Sin embargo, esto contradice nuestra hipótesis de que p y q no tienen un factor común. Así que la suposición de que  nos lleva a una contradicción, por lo que la suposición es falsa.

Por lo tanto; no existe ninguna fracción cuyo cuadrado sea igual a dos, en otras palabras  es irracional.

La demostración anterior se puede realizar de una forma general; de manera que funcione para ; ; ; entre otras…

Demuestre que  es irracional.

Demostración.

Esta demostración se puede hacer más general de la siguiente forma:

Sea m un entero positivo que no es un cuadrado perfecto.

Suponemos que , en donde  y , además p y q no tienen factores en común.

Luego, ;

su factorización en primos contiene al menos un primo un número impar de veces. Este primo aparece un número impar de veces  en ; pero un número par de veces en , contradiciendo la factorización única.

 Por lo tanto  no es de la forma ; es decir,  no es racional. Así que,  es irracional.

La suma de un racional más un irracional es irracional.

Observe, la intuición nos ayuda un poco:

+       1 = 1, 00000000… (racional)

       = 1, 414213562… (irracional)

1+ = 2,414213562… (irracional)

Esto puede ser demostrado:

Teorema:

La suma de un número racional y un número irracional es un número irracional.

Demostración.

El teorema podría enunciarse de la siguiente manera: “Si , donde m y n son enteros , y si y es un número irracional, entonces

x + y es irracional”.

Suponemos que x + y es racional, esto es que , donde, p y q son enteros . Entonces .

Esto significa que y es un número racional, contrario a nuestra hipótesis. El teorema queda demostrado.

La suma de dos números racionales es un número irracional.

La demostración es sencilla; a través de un contra ejemplo vemos que no es irracional la suma: sea i un número irracional; e – i el opuesto aditivo del número irracional. Entonces;

i + (-i) = 0 (a)

y cero (0) no es un número irracional.

Por tanto, la suma de dos números irracionales no es un número irracional (I).

Pero, ¿será del todo cierto esa conclusión?. Ahora bien, la suma de dos números irracionales es un número racional (por (a)).

Si tomamos (usando de nuevo un contra ejemplo) a (un número irracional) y lo sumamos por el mismo; es decir:

 (b)

Y  es irracional.

Por tanto; la suma de dos números irracionales no es racional (II).

Las conclusiones (I) y (II) no son del todo verdaderas; ya que por (a) y (b) se puede decir lo siguiente:

“la suma de dos números irracionales o es un número racional o es un número irracional”. (III)

Con el producto de dos números irracionales ocurre lo mismo que en (III); es decir, el producto o es un número irracional o es un número racional. Por ejemplo:

·          (racional)

·          (irracional).

A lo largo de nuestra discusión, hemos dado un concepto matemático, el de número, se estudió algunos tópicos de interés, específicamente lo relacionado a los números reales. Además se plantearon problemas, se discutieron ejemplos y se realizaron hermosas demostraciones; involucrando siempre conceptos, que es el objetivo de las matemáticas.

Por último, se puede decir que, las matemáticas está llena de cuerpos teóricos (sistemas axiomáticos) que contienen muchos conceptos, los cuales son interesantes y nos ayudan a entender y a solucionar problemas.