皮亚诺算术

更新时间:2024-01-22 16:58

皮亚诺公理,也称皮亚诺公设,是数学家皮亚诺(皮阿罗)提出的关于自然数的五条公理系统。根据这五条公理可以建立起一阶算术系统,也称皮亚诺算术系统。

公式

皮亚诺算术(PA)的公理:

x(Sx≠0)。 x,y((Sx=Sy→x=y)。 ,对于在 PA 的语言中的任何公式 。 x(x+0=x)。 x,y((x+Sy)=s(x+y))。 x(x·0=0)。x,y(x·Sy=xy+x)。

方法叙述

皮亚诺的这五条公理用非形式化的方法叙述如下:

Ⅰ 0是自然数;

Ⅱ 每一个确定的自然数a,都有一个确定的后继数a' ,a' 也是自然数(数a的后继数a' 就是紧接在这个数后面的数(a+1),例如,1’=2,2‘=3等等);

Ⅲ 如果b、c都是自然数a的后继数,那么b = c;

Ⅳ 0不是任何自然数的后继数;

Ⅴ 任意关于自然数的命题,如果证明了它对自然数1是对的,又假定它对自然数n为真时,可以证明它对n' 也真,那么,命题对所有自然数都真。(还有一种表述形式:设S是自然数的一个子集,且满足(1)0属于S。(2)如果n属于S,那么n'也属于S,则S=N,即S是包含全部自然数的集合。)(这条公理也叫归纳公设,保证了数学归纳法的正确性)

注:若0不视作自然数,则公理中的0要换成1。

更正式的定义如下:

一个戴德金-皮亚诺结构为一满足下列条件的三元组(X, x,f):

Ⅰ X是一集合,x 为X中一元素,f是 X 到自身的映射;

Ⅱ x 不在f的值域内;

Ⅲ f 为一单射;

Ⅳ 若A 为X的子集并满足: x∈ A, 且若a ∈A, 则 f(a) 亦∈A,则A =X.

该公理与由皮阿罗公理引出的关于自然数集合的基本假设:

1° P(自然数集)不是空集;

2° P到P内存在a→a直接后继元素的一一映射;

3° 后继元素映射像的集合是P的真子集;

4° 若P任意子集既含有非后继元素的元素,又有含有子集中每个元素的后继元素,则此子集与P重合.

这四个假设能用来论证许多平时常见又不知其来源的定理!

例如:其中第四个假设即为应用极其广泛的归纳法第一原理(数学归纳法)的理论依据.

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