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| author | Juan Marín Noguera <juan.marinn@um.es> | 2020-02-20 13:15:34 +0100 |
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| committer | Juan Marín Noguera <juan.marinn@um.es> | 2020-02-20 13:15:34 +0100 |
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+\end_inset + +clases de equipotencia +\begin_inset Quotes crd +\end_inset + + que llamamos +\series bold +cardinales +\series default +, y representamos con +\begin_inset Formula $|A|$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un conjunto +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es +\series bold +infinito +\series default + si existe +\begin_inset Formula $B\subsetneq A$ +\end_inset + + equipotente a +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +. + En caso contrario es +\series bold +finito +\series default +. + Si +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es finito, +\begin_inset Formula $f:A\rightarrow A$ +\end_inset + + es inyectiva si y sólo si es suprayectiva. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\implies]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Se +\begin_inset Formula $B=\text{Im}f\subseteq A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\hat{f}:A\rightarrow B$ +\end_inset + + la restricción a la imagen de +\begin_inset Formula $f$ +\end_inset + +. + Esta es entonces biyectiva, y como +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es finito, el subconjunto +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + no puede ser propio, por lo que es +\begin_inset Formula $B=A$ +\end_inset + +, de modo que +\begin_inset Formula $\text{Im}f=A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $f$ +\end_inset + + es suprayectiva. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\impliedby]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Para cualquier +\begin_inset Formula $a\in A$ +\end_inset + + se tiene que +\begin_inset Formula $f(\{a\})^{-1}\neq\emptyset$ +\end_inset + +, por lo que existe +\begin_inset Formula $g:A\rightarrow A\in\prod_{a\in A}f(\{a\})^{-1}$ +\end_inset + +. + Por tanto +\begin_inset Formula $f(g(a))=a\forall a\in A$ +\end_inset + +, es decir, +\begin_inset Formula $f\circ g=1_{A}$ +\end_inset + +, por lo que +\begin_inset Formula $g$ +\end_inset + + es inyectiva y, por la implicación anterior, suprayectiva. + Si +\begin_inset Formula $a_{1},a_{2}\in A$ +\end_inset + + verifican +\begin_inset Formula $f(a_{1})=f(a_{2})$ +\end_inset + + entonces existen, por la suprayectividad de +\begin_inset Formula $g$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $b_{1},b_{2}\in A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $g(b_{1})=a_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $g(b_{2})=a_{2}$ +\end_inset + +. + Por tanto +\begin_inset Formula $b_{1}=f(g(b_{1}))=f(a_{1})=f(a_{2})=f(g(b_{2}))=b_{2}$ +\end_inset + +, de donde +\begin_inset Formula $a_{1}=g(b_{1})=g(b_{2})=a_{2}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $f$ +\end_inset + + es inyectiva. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Igualmente, si +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + son conjuntos finitos con +\begin_inset Formula $|A|=|B|$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $g:A\rightarrow B$ +\end_inset + + es inyectiva si y sólo si es suprayectiva. + +\series bold +Demostración: +\series default + Al existir una biyección +\begin_inset Formula $h:B\rightarrow A$ +\end_inset + +, podemos definir +\begin_inset Formula $f=h\circ g:A\rightarrow A$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $g$ +\end_inset + + es inyectiva, +\begin_inset Formula $f$ +\end_inset + + también, por lo que +\begin_inset Formula $f$ +\end_inset + + es suprayectiva y +\begin_inset Formula $g=h^{-1}\circ f$ +\end_inset + + también. + El recíproco se prueba de forma análoga. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dados +\begin_inset Formula $A\subseteq B$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es infinito, +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + también lo es. + +\series bold +Demostración: +\series default + Existe +\begin_inset Formula $A_{0}\subsetneq A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $f:A_{0}\rightarrow A$ +\end_inset + + biyectiva. + Sea entonces +\begin_inset Formula $B_{0}=A_{0}\dot{\cup}(B\backslash A)\subsetneq B$ +\end_inset + +, basta construir una biyección +\begin_inset Formula $f':B_{0}\rightarrow B$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x\in A_{0}\mapsto f(x)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x\in B\backslash A\mapsto x$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Números naturales +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un cardinal es finito si tiene un representante finito. + De lo contrario es infinito. + Llamamos +\series bold +números naturales +\series default + ( +\begin_inset Formula $\mathbb{N}$ +\end_inset + +) a la colección de cardinales finitos. + El +\series bold +axioma del infinito +\series default + afirma que esta colección es un conjunto. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dado +\begin_inset Formula $n=|A|$ +\end_inset + +, llamamos +\series bold +sucesor +\series default + de +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $n^{*}=|A\cup\{x\}|$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x\notin A$ +\end_inset + +. + Tenemos que +\begin_inset Formula $n^{*}\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, y escribimos +\begin_inset Formula $n^{*}=n+1$ +\end_inset + +. + Podemos entonces definir +\begin_inset Formula $\sigma:\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $\sigma(n)=n^{*}$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + + es inyectiva pero no suprayectiva y por tanto +\begin_inset Formula $\mathbb{N}$ +\end_inset + + es infinito. + Vemos que +\begin_inset Formula $0=|\emptyset|$ +\end_inset + + es el único número natural que no es sucesor de ningún otro. + Escribimos +\begin_inset Formula $\mathbb{N}^{*}=\mathbb{N}\backslash\{0\}$ +\end_inset + +, y entonces podemos definir intuitivamente la aplicación +\series bold +antecesor +\series default + como +\begin_inset Formula $\hat{\sigma}^{-1}:\mathbb{N}^{*}\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos +\begin_inset Formula $|A|\leq|B|\iff\exists f:A\rightarrow B\text{ inyectiva}$ +\end_inset + +, y vemos que +\begin_inset Formula $(\mathbb{N},\leq)$ +\end_inset + + es bien ordenado. + Entonces +\begin_inset Formula $n^{*}=\min\{x\in\mathbb{N}|n<x\}$ +\end_inset + + y por tanto, si +\begin_inset Formula $a,n\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + son tales que +\begin_inset Formula $n\leq a\leq n^{*}$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $a=n$ +\end_inset + + o +\begin_inset Formula $a=n^{*}$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + Sea +\begin_inset Formula $M_{n}=\{x\in\mathbb{N}|n<x\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $a=\min M_{n}$ +\end_inset + +. + Sabemos que existen +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + representantes respectivos de +\begin_inset Formula $a$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + junto con +\begin_inset Formula $f:N\rightarrow A$ +\end_inset + + inyectiva pero no suprayectiva. + Entonces existe +\begin_inset Formula $x\in A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x\notin\text{Im}f$ +\end_inset + +. + Sea +\begin_inset Formula $g:N\cup\{N\}\rightarrow A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $g(b)=f(b)$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $b\in N$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $g(N)=x$ +\end_inset + +, podemos comprobar que +\begin_inset Formula $g$ +\end_inset + + es inyectiva y por tanto +\begin_inset Formula $n^{*}\leq a$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $n^{*}=a$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +El +\series bold +principio de inducción en los números naturales +\series default + afirma que si +\begin_inset Formula $A\subseteq\mathbb{N}$ +\end_inset + + cumple que +\begin_inset Formula $0\in A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $n\in A\implies n^{*}\in A$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $A=\mathbb{N}$ +\end_inset + +. + Esto puede modificarse tomando que para +\begin_inset Formula $k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $k\in A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $k\leq n\in A\implies n^{*}\in A$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\{n\in\mathbb{N}|n\geq k\}\subseteq A$ +\end_inset + +. + La +\series bold +inducción matemática +\series default + es un método de demostración consistente en demostrar la validez de la + propiedad +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $k$ +\end_inset + + y luego probar la validez de +\begin_inset Formula $P(n+1)$ +\end_inset + + suponiendo la de +\begin_inset Formula $P(n)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +También, dados +\begin_inset Formula $A\subseteq\mathbb{N}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $k\in A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\forall m\in\mathbb{N},(k\leq m<n\implies m\in A)\implies n\in A$ +\end_inset + +, se tiene que +\begin_inset Formula $\{n\in\mathbb{N}|n\geq k\}\subseteq A$ +\end_inset + +. + La aplicación de esto se conoce como +\series bold +inducción matemática fuerte +\series default +. + El principio de inducción, el del buen orden y el axioma de elección son + equivalentes. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Todo conjunto finito totalmente ordenado está bien ordenado y tiene máximo + y mínimo. + Por otro lado, +\begin_inset Formula $\mathbb{N}_{n}=\{x\in\mathbb{N}|1\leq x\leq n\}$ +\end_inset + + cumple que +\begin_inset Formula $|\mathbb{N}_{n}|=|\{1,\dots,n\}|=n$ +\end_inset + + y por tanto es finito. +\end_layout + +\begin_layout Standard +El conjunto de números naturales que hemos construido satisface los +\series bold +axiomas de Peano +\series default +: +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Formula $0\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Formula $\exists\sigma:\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}\text{ inyectiva}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Formula $0\notin\text{Im}\sigma$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +Se cumple el principio de inducción. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Cualquier conjunto que cumpla estas condiciones es esencialmente igual a + +\begin_inset Formula $\mathbb{N}$ +\end_inset + +, lo que se conoce como +\series bold +unicidad del sistema de Peano +\series default +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos la +\series bold +suma +\series default + como +\begin_inset Formula $+:\mathbb{N}\times\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $n+0=n$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $n+m^{*}=(n+m)^{*}$ +\end_inset + +. + Esta cumple que +\begin_inset Formula $(n+1)+m=n+(m+1)$ +\end_inset + +, y verifica las propiedades de +\series bold +conmutatividad +\series default +, +\series bold +asociatividad +\series default + y +\series bold +cancelación +\series default + ( +\begin_inset Formula $a+c=b+c\implies a=b$ +\end_inset + +). +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos el +\series bold +producto +\series default + como +\begin_inset Formula $\cdot:\mathbb{N}\times\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $n\cdot0=0$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $n\cdot m^{*}=n\cdot m+n$ +\end_inset + +, y escribimos +\begin_inset Formula $n\cdot m=nm$ +\end_inset + +. + Este cumple que +\begin_inset Formula $(n+1)m=nm+m$ +\end_inset + +, y verifica las propiedades de +\series bold +conmutatividad +\series default +, +\series bold +asociatividad +\series default +, +\series bold +distributividad +\series default + respecto de la suma y +\series bold +cancelación +\series default + ( +\begin_inset Formula $nm=0\iff n=0\lor m=0$ +\end_inset + +). +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Teorema +\series default + para la relación del orden y las operaciones aritméticas: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $a\leq b\iff\exists u\in\mathbb{N}:a+u=b$ +\end_inset + +; +\begin_inset Formula $a\leq a+u\forall u\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Sea +\begin_inset Formula $B=\{n\in\mathbb{N}|a+n>b\}$ +\end_inset + + y como +\begin_inset Formula $b^{*}\in B$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $B\neq\emptyset$ +\end_inset + +, por lo que existe +\begin_inset Formula $c:=\min B$ +\end_inset + +. + Sea entonces +\begin_inset Formula $u\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $u^{*}=c$ +\end_inset + +. + De aquí, +\begin_inset Formula $a+u\leq b<a+u^{*}$ +\end_inset + +, por lo que +\begin_inset Formula $a+u=b$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $a\leq b\implies a+c\leq b+c$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $a\leq b\implies ac\leq bc$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si +\begin_inset Formula $a+u=b$ +\end_inset + +, llamamos +\begin_inset Formula $u=b-a$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Números enteros +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +números enteros +\series default + al conjunto cociente +\begin_inset Formula $\mathbb{Z}=\mathbb{N}\times\mathbb{N}/\sim$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula +\[ +(a,b)\sim(n,m)\iff a+m=b+n +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Tenemos entonces que +\begin_inset Formula $\{(a,0)\}_{a\in\mathbb{N}}\dot{\cup}\{(0,b)\}_{b\in\mathbb{N}^{*}}$ +\end_inset + + es un conjunto irredundante de representantes. + Así, si +\begin_inset Formula $n\geq m$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(n,m)\in[(n-m,0)]$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $n<m$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(n,m)\in[(0,m-n)]$ +\end_inset + +. + Denotamos con +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $[(n,0)]$ +\end_inset + + y los identificamos con los naturales, y denotamos con +\begin_inset Formula $-n$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $[(0,n)]$ +\end_inset + +. + Definimos también +\begin_inset Formula $\mathbb{Z}^{+}=\{n\in\mathbb{Z}|0\neq n\in\mathbb{N}\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mathbb{Z}^{-}=\{-n\in\mathbb{Z}|0\neq n\in\mathbb{N}\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\mathbb{Z}^{*}=\mathbb{Z}\backslash\{0\}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos +\begin_inset Formula $[(a,b)]\leq[(m,n)]\iff a+n\leq b+m$ +\end_inset + +, y de aquí que +\begin_inset Formula $(\mathbb{Z},\leq)$ +\end_inset + + es un conjunto totalmente ordenado en el que todo entero tiene predecesor + y sucesor. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos la +\series bold +suma +\series default + como +\begin_inset Formula $+:\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}\rightarrow\mathbb{Z}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $[(a,b)]+[(m,n)]=[(a+m,b+n)]$ +\end_inset + +. + Esta está bien definida y verifica las propiedades conmutativa, asociativa, + existencia de +\series bold +neutro +\series default + +\begin_inset Formula $0=[(0,0)]$ +\end_inset + + ( +\begin_inset Formula $\forall a\in\mathbb{Z},a+0=0$ +\end_inset + +) y existencia de +\series bold +opuesto +\series default + o +\series bold +inverso bajo la suma +\series default + ( +\begin_inset Formula $\forall a\in\mathbb{Z},\exists a^{\prime}:a+a^{\prime}=0$ +\end_inset + +). + +\series bold +Demostración +\series default + de que está bien definida. + Sean +\begin_inset Formula $a,a',b,b',m,m',n,n'\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $[(a,b)]=[(a',b')]$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $[(m,n)]=[(m',n')]$ +\end_inset + +. + Entonces +\begin_inset Formula $a+b'=b+a'$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $m+n'=n+m'$ +\end_inset + +, de donde +\begin_inset Formula $a+b'+m+n'=b+a'+n+m'$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $(a+m)+(b'+n')=(a'+m')+(b+n)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $[(a+m,b+n)]=[(a'+m',b'+n')]$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos el +\series bold +producto +\series default + como +\begin_inset Formula $\cdot:\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}\rightarrow\mathbb{Z}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $[(a,b)]\cdot[(m,n)]=[(am+bn,an+bm)]$ +\end_inset + +. + Este está bien definido y verifica las propiedades conmutativa, asociativa, + distributiva respecto a la suma y existencia de neutro +\begin_inset Formula $1=[(1,0)]$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Números racionales +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +números racionales +\series default + al conjunto cociente +\begin_inset Formula $\mathbb{Q}=\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}^{*}/\sim$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula +\[ +[(a,b)]\sim[(n,m)]\iff am=bn +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Identificamos los enteros con los +\begin_inset Formula $[(n,1)]$ +\end_inset + +, escribimos +\begin_inset Formula $\frac{m}{n}:=[(m,n)]$ +\end_inset + + y denotamos con +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $\frac{m}{1}=[(m,1)]$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos +\begin_inset Formula $\frac{n}{m}\leq\frac{a}{b}\iff nmb^{2}\leq abm^{2}$ +\end_inset + +, y decimos que un racional es +\series bold +positivo +\series default + si es mayor que 0 y +\series bold +negativo +\series default + si es menor. + Si +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $b$ +\end_inset + + tienen el mismo signo, podemos considerar +\begin_inset Formula $\frac{n}{m}\leq\frac{a}{b}\iff nb\leq ma$ +\end_inset + +. + Se tiene que +\begin_inset Formula $(\mathbb{Q},\leq)$ +\end_inset + + es un conjunto totalmente ordenado. + +\series bold +Demostración: +\series default + Dados +\begin_inset Formula $\frac{n}{m}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\frac{a}{b}$ +\end_inset + +, se tiene que +\begin_inset Formula $nb=ma$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $nb>ma$ +\end_inset + + o +\begin_inset Formula $nb<ma$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos la suma como +\begin_inset Formula $+:\mathbb{Q}\times\mathbb{Q}\rightarrow\mathbb{Q}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $\frac{a}{b}+\frac{m}{n}=\frac{an+bm}{bn}$ +\end_inset + +. + Esta está bien definida, y verifica las propiedades de conmutatividad, + asociatividad, existencia de neutro +\begin_inset Formula $0=[(0,1)]$ +\end_inset + + y existencia de opuesto. + Además, +\begin_inset Formula $\frac{-n}{m}=\frac{n}{-m}=-\frac{n}{m}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos el producto como +\begin_inset Formula $\cdot:\mathbb{Q}\times\mathbb{Q}\rightarrow\mathbb{Q}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $\frac{a}{b}\cdot\frac{m}{n}=\frac{am}{bn}$ +\end_inset + +. + Este está bien definido y verifica las propiedades de conmutatividad, asociativ +idad, existencia de neutro +\begin_inset Formula $1=[(1,1)]$ +\end_inset + + y existencia de inverso para todo racional no cero ( +\begin_inset Formula $\forall\frac{m}{n}\in\mathbb{Q},\frac{m}{n}\cdot\frac{n}{m}=1$ +\end_inset + +). +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una sucesión de números naturales +\begin_inset Formula $(a_{n})_{n\in\mathbb{N}}$ +\end_inset + + (o de cualquier subconjunto de +\begin_inset Formula $\mathbb{C}$ +\end_inset + +) es +\series bold +eventualmente periódica +\series default + si +\begin_inset Formula $\exists m\in\mathbb{N},q\in\mathbb{N}^{*}:\forall i\geq m,a_{i}=a_{i+q}$ +\end_inset + +. + Al menor +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + que satisface la condición se le llama +\series bold +término inicial del período +\series default +, y al menor +\begin_inset Formula $q$ +\end_inset + +, +\series bold +período +\series default +. + Una sucesión eventualmente periódica con +\begin_inset Formula $p=1$ +\end_inset + + se dice que es +\series bold +eventualmente constante +\series default +\SpecialChar endofsentence + Por otro lado, una sucesión de naturales +\begin_inset Formula $(a_{n})_{n\in\mathbb{N}}$ +\end_inset + + es +\series bold +decimal +\series default + si +\begin_inset Formula $a_{n}\in\{0,\dots,9\}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $n>0$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Teorema: +\series default + Para todo +\begin_inset Formula $\alpha\in\mathbb{Q}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\alpha\geq0$ +\end_inset + +, existe una única sucesión decimal eventualmente periódica de naturales + +\begin_inset Formula $(a_{n})_{n\in\mathbb{N}}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $0\leq\alpha-a_{0}-\frac{a_{1}}{10}-\dots-\frac{a_{n}}{10^{n}}<\frac{1}{10^{n}}$ +\end_inset + + para todo +\begin_inset Formula $n\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +. + Esta relación determina una biyección entre los racionales positivos y + las sucesiones decimales eventualmente periódicas que no son eventualmente + constantes con término inicial 9. +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Demostración. + +\series default + Tomamos +\begin_inset Formula $\alpha=\frac{k}{d}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $k\geq0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $d>0$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\text{mcd}(k,d)=1$ +\end_inset + + y definimos +\begin_inset Formula $a_{0}=E(\alpha)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $r_{0}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $\alpha=a_{0}+\frac{r_{0}}{d}$ +\end_inset + +, de modo que +\begin_inset Formula $0\leq r_{0}<d$ +\end_inset + +. + Definimos entonces por recurrencia +\begin_inset Formula $a_{n+1}=E(\frac{10r_{n}}{d})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\frac{10r_{n}}{d}=a_{n+1}+\frac{r_{n+1}}{d}$ +\end_inset + +, de modo que +\begin_inset Formula $0\leq r_{n+1}<d$ +\end_inset + +, y también +\begin_inset Formula $S_{n}=a_{0}+a_{1}10^{-1}+\dots+a_{n}10^{-n}$ +\end_inset + +. + A continuación probamos las siguientes afirmaciones: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Decimal: +\series default + +\begin_inset Formula $0\leq a_{n}<10$ +\end_inset + +. +\begin_inset Formula +\[ +0\leq a_{n+1}\leq a_{n+1}+\frac{r_{n+1}}{d}=\frac{10r_{n}}{d}<10 +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Lema: +\series default + +\begin_inset Formula $\alpha=S_{n}+\frac{r_{n}}{d}10^{-n}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Para +\begin_inset Formula $n=0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\alpha=a_{0}+\frac{r_{0}}{d}$ +\end_inset + +. + Ahora asumimos que esto se cumple para un cierto +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + y demostramos que se cumple también para +\begin_inset Formula $n+1$ +\end_inset + +: +\begin_inset Formula +\[ +\alpha=S_{n}+\frac{10r_{n}}{d}10^{-(n+1)}=S_{n}+\left(a_{n+1}+\frac{r_{n+1}}{d}\right)10^{-(n+1)}=S_{n+1}+\frac{r_{n+1}}{d}10^{-(n+1)} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Aproximación: +\series default + +\begin_inset Formula $0\leq\alpha-S_{n}<10^{n}$ +\end_inset + + +\begin_inset Formula +\[ +0\leq\alpha-S_{n+1}=\frac{r_{n+1}}{d}10^{-(n+1)}<10^{-(n+1)} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Unicidad: +\series default + +\begin_inset Formula $a_{n+1}=E(10^{n+1}(\alpha-S_{n}))$ +\end_inset + +. +\begin_inset Formula +\[ +a_{n+1}=E\left(\frac{10r_{n}}{d}\right)=E\left(10^{n+1}10^{-n}\frac{r_{n}}{d}\right)=E(10^{n+1}(\alpha-S_{n})) +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Periodicidad: +\series default + Como +\begin_inset Formula $0\leq r_{n}<d\forall n$ +\end_inset + +, los +\begin_inset Formula $r_{n}$ +\end_inset + + deben repetirse, es decir, +\begin_inset Formula $\exists m,q\in\mathbb{N},q>0:r_{m}=r_{m+q}$ +\end_inset + +. + Vemos por inducción que +\begin_inset Formula $a_{i}=a_{i+q}\forall i\geq m+1$ +\end_inset + +. + Para +\begin_inset Formula $i=m+1$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $a_{m+1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $r_{m+1}$ +\end_inset + + son cociente y resto de +\begin_inset Formula $10r_{m}/d$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $a_{(m+q)+1}=a_{(m+1)+q}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $r_{(m+q)+1}=r_{(m+1)+q}$ +\end_inset + + son cociente y resto de +\begin_inset Formula $10r_{m+q}/d=10r_{m}/d$ +\end_inset + +, por lo que +\begin_inset Formula $a_{m+1}=a_{(m+1)+q}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $r_{m+1}=r_{(m+1)+q}$ +\end_inset + +. + El paso de inducción es análogo, partiendo de que +\begin_inset Formula $r_{i}=r_{i+q}$ +\end_inset + + para obtener que +\begin_inset Formula $a_{i+1}=a_{(i+q)+1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $r_{i+1}=r_{(i+q)+1}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Estructuras algebraicas +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un conjunto +\begin_inset Formula $A\neq\emptyset$ +\end_inset + + con una operación suma +\begin_inset Formula $+:A\times A\rightarrow A$ +\end_inset + + es un +\series bold +grupo abeliano +\series default + si la suma es conmutativa, asociativa, existe un elemento neutro +\begin_inset Formula $0\in A$ +\end_inset + + y todo +\begin_inset Formula $a\in A$ +\end_inset + + tiene opuesto ( +\begin_inset Formula $b\in A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $a+b=0$ +\end_inset + +). +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si además tiene una operación producto +\begin_inset Formula $\cdot:A\times A\rightarrow A$ +\end_inset + +, decimos que es un +\series bold +anillo +\series default + si con la suma es un grupo abeliano, el producto es asociativo, distribuye + a la suma y tiene neutro +\begin_inset Formula $1\in A$ +\end_inset + +. + Un anillo en que el producto es conmutativo es un +\series bold +anillo conmutativo +\series default +, y si además todo +\begin_inset Formula $a\in A\backslash\{0\}$ +\end_inset + + tiene inverso ( +\begin_inset Formula $b\in A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $ab=1$ +\end_inset + +), decimos que es un +\series bold +cuerpo +\series default +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Números reales +\end_layout + +\begin_layout Standard +Podemos construirlos partiendo de los racionales de 3 formas: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Identificándolos con los desarrollos decimales infinitos. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Mediante las +\series bold +cortaduras de Dedekind +\series default +, conjuntos +\begin_inset Formula $\emptyset\neq\beta\subsetneq\mathbb{Q}$ +\end_inset + + acotados superiormente y sin máximo tales que +\begin_inset Formula $y<x\in\beta\implies y\in\beta$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Considerando el conjunto cociente de cierta relación de equivalencia de + las sucesiones de Cauchy en +\begin_inset Formula $\mathbb{Q}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Asumimos que es un conjunto no vacío +\begin_inset Formula $(\mathbb{R},+,\cdot)$ +\end_inset + + que contiene a los racionales y satisface los siguientes axiomas: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Axiomas de cuerpo: +\series default + +\begin_inset Formula $(\mathbb{R},+,\cdot)$ +\end_inset + + es un cuerpo. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Axiomas de orden: +\series default + +\begin_inset Formula $\mathbb{R}$ +\end_inset + + está totalmente ordenado, +\begin_inset Formula $x<y\implies x+z<y+z$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x,y>0\implies xy>0$ +\end_inset + +. + +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{R}$ +\end_inset + + es positivo si +\begin_inset Formula $x>0$ +\end_inset + + y negativo si +\begin_inset Formula $x<0$ +\end_inset + +. + De aquí se tiene que si +\begin_inset Formula $x>0$ +\end_inset + +, su opuesto +\begin_inset Formula $-x<0$ +\end_inset + +, pues +\begin_inset Formula $x>0\implies x-x>0-x\implies0>-x$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Axiomas de completitud: +\series default + Todo subconjunto no vacío de +\begin_inset Formula $\mathbb{R}$ +\end_inset + + acotado superiormente posee supremo. +\end_layout + +\begin_layout Section +Números complejos +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +números complejos +\series default + al cuerpo definido por +\begin_inset Formula +\[ +\mathbb{C}=\{(a,b)|a,b\in\mathbb{R}\} +\] + +\end_inset + +junto con las operaciones +\begin_inset Formula $(a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $(a,b)\cdot(c,d)=(ac-bd,ad+bc)$ +\end_inset + +. + Se representan en el plano cartesiano en las coordenadas +\begin_inset Formula $(a,b)$ +\end_inset + +. + Identificamos +\begin_inset Formula $\mathbb{R}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\{(a,0)\}_{a\in\mathbb{R}}$ +\end_inset + +. + Definimos +\begin_inset Formula $i^{2}=-1$ +\end_inset + + y escribimos +\begin_inset Formula $a+bi=(a,b)$ +\end_inset + +. + Entonces +\begin_inset Formula $i^{n}=i^{m}\iff4|n-m$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +conjugado +\series default + de +\begin_inset Formula $z=a+bi\in\mathbb{C}$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $\overline{z}=a-bi$ +\end_inset + +. + Propiedades: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\overline{\overline{z}}=z$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\overline{z+w}=\overline{z}+\overline{w}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\overline{z\cdot w}=\overline{z}\cdot\overline{w}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $z\neq0\implies\overline{z^{-1}}=\overline{z}^{-1}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $z\in\mathbb{R}\iff\overline{z}=z$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dado +\begin_inset Formula $z=a+bi\in\mathbb{C}$ +\end_inset + +, su +\series bold +parte real +\series default + es +\begin_inset Formula $\text{Re}(z)=a$ +\end_inset + +, su +\series bold +parte imaginaria +\series default + es +\begin_inset Formula $\text{Im}(z)=b$ +\end_inset + +, su +\series bold +módulo +\series default + es +\begin_inset Formula $|z|=\sqrt{a^{2}+b^{2}}$ +\end_inset + + y su +\series bold +argumento +\series default + es +\begin_inset Formula $\text{Arg}(z)=\theta=\arctan\frac{b}{a}$ +\end_inset + +, estableciendo primero el cuadrante de forma que +\begin_inset Formula $\cos(\theta)=\frac{a}{|z|}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\sin(\theta)=\frac{b}{|z|}$ +\end_inset + +, y es único salvo múltiplos de +\begin_inset Formula $2\pi$ +\end_inset + +. + Propiedades: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $|z|^{2}=z\overline{z}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $|z|=|\overline{z}|$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $|zw|=|z||w|$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $|z^{-1}|=|z|^{-1}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $|\text{Re}(z)|\leq|z|$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Desigualdad triangular: +\series default + +\begin_inset Formula $|z+w|\leq|z|+|w|$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Como +\begin_inset Formula $z\overline{w}=\overline{\overline{z}w}$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $z\overline{w}+\overline{z}w=2\text{Re}(z\overline{w})$ +\end_inset + +. + Así, +\begin_inset Formula $|z+w|^{2}=(z+w)(\overline{z}+\overline{w})=z\overline{z}+w\overline{w}+z\overline{w}+\overline{z}w=|z|^{2}+|w|^{2}+2\text{Re}(z\overline{w})\leq|z|^{2}+|w|^{2}+2|z\overline{w}|=(|z|+|w|)^{2}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Sea +\begin_inset Formula $z=a+bi$ +\end_inset + + con módulo +\begin_inset Formula $r$ +\end_inset + + y argumento +\begin_inset Formula $\theta$ +\end_inset + +, la +\series bold +representación polar +\series default + de +\begin_inset Formula $z$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $z\mapsto(r,\theta)$ +\end_inset + +, pues +\begin_inset Formula $r$ +\end_inset + + es la distancia al centro cartesiano y +\begin_inset Formula $\theta$ +\end_inset + + el ángulo respecto del eje de abscisas. + Así, su +\series bold +representación trigonométrica +\series default + es +\begin_inset Formula $z\mapsto r(\cos\theta+i\sin\theta)$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $z=(r,\theta)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $w=(s,\sigma)$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $zw=(rs,\theta+\sigma)$ +\end_inset + +. + De aquí se deduce el +\series bold +teorema de De Moivre: +\series default + Dado +\begin_inset Formula $z=(r,\theta)$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $z^{n}=(r^{n},n\theta)$ +\end_inset + +. + Por tanto, si +\begin_inset Formula $z^{n}=(s,\alpha)$ +\end_inset + +, se tiene que +\begin_inset Formula $r=\sqrt[n]{s}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\theta=\frac{\alpha+2k\pi}{n},k\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + +, con lo que todo número complejo tiene exactamente +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + raíces +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-ésimas complejas. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Para +\begin_inset Formula $n\geq2$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\omega\in\mathbb{C}$ +\end_inset + + es una raíz +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-ésima de la unidad si +\begin_inset Formula $\omega^{n}=1$ +\end_inset + +, y es una +\series bold +raíz +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-ésima primitiva de la unidad +\series default + si además +\begin_inset Formula $\omega^{m}\neq1$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $0<m<n$ +\end_inset + +. + Así, todo número complejo tiene +\begin_inset Formula +\[ +\phi(n)=|\{m\in\{1,\dots,n-1\}:\text{mcd}(m,n)=1\}| +\] + +\end_inset + +raíces +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-ésimas primitivas. + Esta función se conoce como +\series bold +función +\begin_inset Formula $\phi$ +\end_inset + + de Euler +\series default +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Se tiene que +\begin_inset Formula +\begin{eqnarray*} +e^{x}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{n}}{n!} & \cos x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^{n}x^{2n}}{(2n)!} & \sin x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^{n}x^{2n+1}}{(2n+1)!} +\end{eqnarray*} + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Por tanto tiene sentido definir que +\begin_inset Formula $e^{ip}=\cos p+i\sin p$ +\end_inset + +, pues +\begin_inset Formula $e^{ip}=1+ip+\frac{(ip)^{2}}{2!}+\dots=1+ip-\frac{p^{2}}{2!}-\frac{ip^{3}}{3!}+\frac{p^{4}}{4!}+\dots=\cos p+i\sin p$ +\end_inset + +. + Por tanto, podemos escribir +\begin_inset Formula $z=(r,\theta)\in\mathbb{C}$ +\end_inset + + como +\begin_inset Formula $z=re^{\theta i}$ +\end_inset + +, y obtenemos la +\series bold +identidad de Euler +\series default +: +\begin_inset Formula +\[ +e^{\pi i}+1=0 +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Section +Conjuntos numerables y no numerables +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un conjunto +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es +\series bold +a lo más numerable +\series default + si +\begin_inset Formula $|A|\leq|\mathbb{N}|$ +\end_inset + +, +\series bold +numerable +\series default + si +\begin_inset Formula $|A|=|\mathbb{N}|$ +\end_inset + + y +\series bold +más que numerable +\series default + si +\begin_inset Formula $|A|>|\mathbb{N}|$ +\end_inset + +. + +\series bold +Teorema de Bernstein +\series default + o +\series bold +de Cantor-Schröeder-Bernstein (CSB): +\series default + Dados dos conjuntos +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + tales que existen +\begin_inset Formula $f:A\rightarrow B$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $g:B\rightarrow A$ +\end_inset + + inyectivas, entonces existe una biyección entre ellos. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula $|\mathbb{N}|=|\mathbb{N}\times\mathbb{N}|$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + Para simplificar, interpretamos +\begin_inset Formula $\mathbb{N}$ +\end_inset + + sin el 0. + Ordenamos las parejas de +\begin_inset Formula $\mathbb{N}\times\mathbb{N}$ +\end_inset + + en orden lexicográfico y luego vamos contando en diagonal. + Entonces en cada diagonal de +\begin_inset Formula $(1,n)$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $(n,1)$ +\end_inset + + están los pares cuyas coordenadas suman +\begin_inset Formula $n+1$ +\end_inset + +, y al terminar la diagonal habremos contado +\begin_inset Formula $S(n)=\sum_{i=1}^{n}i=\frac{n(n+1)}{2}$ +\end_inset + + pares. + Entonces +\begin_inset Formula $(1,n)\mapsto S(n-1)+1$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(2,n-1)\mapsto S(n-1)+2$ +\end_inset + +, etc. + Así, definimos +\begin_inset Formula $\varphi:\mathbb{N}\times\mathbb{N}\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\varphi(i,j)=\frac{(i+j-1)(i+j-2)}{2}+i$ +\end_inset + + y vemos que es una biyección. +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Teorema: +\series default + +\begin_inset Formula $|\mathbb{N}|=|\mathbb{Z}|=|\mathbb{Q}|<(0,1)=|\mathbb{R}|$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración +\series default + de que +\begin_inset Formula $|\mathbb{N}|<(0,1)$ +\end_inset + +: La aplicación +\begin_inset Formula $f:\mathbb{N}\rightarrow(0,1)$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $f(n)=\frac{1}{n+1}$ +\end_inset + + es inyectiva. + Para ver que no hay aplicaciones inyectivas +\begin_inset Formula $(0,1)\rightarrow\mathbb{N}$ +\end_inset + + usamos el +\series bold +método de la diagonal de Cantor +\series default +. + Supongamos que existe y hemos numerado todos los elementos en +\begin_inset Formula $(0,1)$ +\end_inset + +. + Si los escribimos en su forma decimal, tenemos +\begin_inset Formula +\begin{eqnarray*} +x_{1} & = & 0,x_{11}x_{12}x_{13}\cdots\\ +x_{2} & = & 0,x_{21}x_{22}x_{23}\cdots\\ +x_{3} & = & 0,x_{31}x_{32}x_{33}\cdots +\end{eqnarray*} + +\end_inset + +etcétera. + Ahora, sea +\begin_inset Formula $(y_{n})_{n}$ +\end_inset + + una secuencia de dígitos con +\begin_inset Formula $y_{n}\in\{0,\dots,9\}\backslash\{x_{nn}\}$ +\end_inset + + e +\begin_inset Newline newline +\end_inset + + +\begin_inset Formula $y_{1}=\{1,\dots,8\}\backslash\{x_{nn}\}$ +\end_inset + + (para evitar que el número formado sea 0 o 1). + Entonces este número difiere con cada uno de la lista en al menos un dígito. +\end_layout + +\end_body +\end_document |
