加法交換律 a b b a 是怎麼證明的?

時間 2021-06-06 18:08:46

1樓:

如果是實數的加法,那麼定義實數的時候通常要求實數集合是乙個域,交換律是公理

如果是自然數的加法,自然數是用peano公理定義的,加法交換律可以用peano公理推出來,好像有人寫了。

2樓:Egregium

這個問題比較複雜,需要牽扯到自然數的定義,我們一步步來。

一、自然數的定義和Peano公理

所謂自然數,就是從從人類的計數中抽象出來的東西。我們可以用Peano公理作為自然數集 的定義。

Peano公理

公理1:0是自然數。

公理2:對於每乙個自然數 ,都有唯一的後繼數,且 也是自然數。

公理3:0不是任何自然數的後繼數。

公理4:不相等的自然數的後繼數也不相等。

公理5:如果乙個集合 ,滿足 ,且若 ,則 , 則 。

我們來逐條解釋每條公理的作用。公理1給出了計數的起點,公理2告訴我們每乙個自然數的下乙個數是什麼,一般地,我們定義 ,公理3和公理4保證了計數的過程不會發生迴圈。到這裡我們似乎已經把自然數的全部特徵都包含了,那公理5的作用是什麼呢?

事實上,公理5保證所有自然數都可以由0通過不斷取後繼數的操作得到,換句話說,自然數除了0,1,2,3,...以外沒有其他的東西。公理5也保證了數學歸納法的正確性,因此也成為歸納公理

二、自然數的加法定義

定義(自然數的加法運算)

設 ,定義 ,如果已經定義了 ,則定義 。根據Peano公理,我們定義了乙個自然數集的二元運算。

根據自然數加法的定義,我們可以證明以下兩個性質。

性質1(加法結合律):

證明:對 做數學歸納法,注意到 .當 時, . 若當 時成立,則

性質2(加法交換律):.

證明:對 做數學歸納法。當 時,我們可以歸納地證明 . 同理可證 .若當 時成立,則

性質3(消去律):,若 ,則 .

證明:對 做數學歸納法。

三、整數

定義(群和半群)

設 是乙個非空集合,有二元運算 (通常寫成乘法的形式),若滿足

1、 .(結合律)

2、 (單位元)

3、 (逆元)

此時稱 是乙個群。如果只滿足第一條,則稱 是乙個半群。

根據第二節的性質,我們發現自然數集在加法運算下,只滿足第一條和第二條,所以此時自然數集只是乙個半群,因此我們希望擴充成乙個群,此時加法就成為乙個可逆的運算。因為單位元和逆元都是唯一的,因此0的逆元就是0,規定自然數 的逆元(相反數)為 ,即 ,我們把全體自然數及其逆元放在一起成為集合 ,稱為整數集, 中的元素稱為負整數

對於非零自然數 規定:若 ,則 ,根據公理4, 是唯一的 。

規定 的後繼數是 ,仿照自然數的加法,可以歸納地定義整數與自然數的加法 ,整數與負數的加法可以定義為 .

性質4(加法結合律)

證明:不妨假設 ,仿照自然數的情形,用歸納法證明。

類似地,我們也可以證明交換律。

性質5(加法交換律):.

此時,整數集在加法下形成了Abel群(滿足加法交換律)。

四、乘法與有理數

定義(整數的乘法)

設 ,定義: ,若已經定義 ,則定義 , 此時我們定義了整數與自然數的乘法,規定 .

運用歸納法,我們可以證明乘法對加法的分配律、乘法結合律、乘法交換律.

此時我們發現有理數的加法、乘法也是滿足分配律、結合律、交換律的。(關於有理數的構造我們就不多說了)

五、實數和複數

任何乙個實數都是乙個有理數列的極限,根據極限的性質,有理數加法、乘法的性質都可以推廣到實數上去。再根據複數加法和乘法的定義可知,複數加法、乘法同樣滿足。

如何證明加法交換律?

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