Articulo de referencia

teoría de conjuntos

Un diagrama de Venn que ilustra la intersección de dos conjuntos. La teoría de conjuntos es la rama de la lógica matemática que estudia los conjuntos , que pueden describirse in...

Un diagrama de Venn que ilustra la intersección de dos conjuntos.

La teoría de conjuntos es la rama de la lógica matemática que estudia los conjuntos , que pueden describirse informalmente como colecciones de objetos. Aunque cualquier tipo de objeto puede agruparse en un conjunto, la teoría de conjuntos —como rama de las matemáticas— se centra principalmente en aquellos que son relevantes para las matemáticas en su conjunto. [ 1 ] [ 2 ]

El estudio moderno de la teoría de conjuntos fue iniciado por los matemáticos alemanes Richard Dedekind y Georg Cantor en la década de 1870. En particular, Georg Cantor es comúnmente considerado el fundador de la teoría de conjuntos. [ 3 ] Los sistemas no formalizados investigados durante esta etapa temprana se conocen como teoría ingenua de conjuntos . [ 4 ] Después del descubrimiento de paradojas dentro de la teoría ingenua de conjuntos (por ejemplo, la paradoja de Russell , [ 5 ] la paradoja de Cantor , [ 6 ] y la paradoja de Burali-Forti , [ 7 ] entre otras), se propusieron varios sistemas axiomáticos a principios del siglo XX, de los cuales la teoría de conjuntos de Zermelo-Fraenkel (con o sin el axioma de elección ) sigue siendo la más conocida y estudiada. [ 8 ]

La teoría de conjuntos se emplea comúnmente como un sistema fundamental para todas las matemáticas , [ 9 ] particularmente en la forma de la teoría de conjuntos de Zermelo-Fraenkel con el axioma de elección. [ 10 ] Además de su papel fundamental, la teoría de conjuntos también proporciona el marco para desarrollar una teoría matemática del infinito , [ 11 ] y tiene diversas aplicaciones en ciencias de la computación (como en la teoría del álgebra relacional ), [ 12 ] [ 13 ] filosofía , [ 1 ] semántica formal , [ 14 ] y dinámica evolutiva . [ 15 ] Su atractivo fundamental, junto con sus paradojas y sus implicaciones para el concepto de infinito y sus múltiples aplicaciones han hecho de la teoría de conjuntos un área de gran interés para lógicos y filósofos de las matemáticas . [ 16 ] [ 4 ] La investigación contemporánea en teoría de conjuntos abarca una amplia gama de temas, que van desde la estructura de la recta numérica real hasta el estudio de la consistencia de los cardinales grandes . [ 1 ]

Historia

Historia temprana

Árbol de Porfirio de Purchotius (1730), que presenta las categorías de Aristóteles .

La noción básica de agrupar objetos ha existido al menos desde la aparición de los números , y la noción de tratar los conjuntos como objetos propios ha existido al menos desde el Árbol de Porfirio en el siglo III d. C. [ 17 ] La simplicidad y ubicuidad de los conjuntos dificulta determinar el origen de los conjuntos tal como se usan ahora en matemáticas; sin embargo, Paradojas del infinito ( Paradoxien des Unendlichen , 1851) de Bernard Bolzano se considera generalmente la primera introducción rigurosa de los conjuntos a las matemáticas. En su obra, él (entre otras cosas) amplió la paradoja de Galileo e introdujo la correspondencia biunívoca de conjuntos infinitos, por ejemplo, entre los intervalos[0,5]{\displaystyle [0,5]}y[0,12]{\displaystyle [0,12]}por la relación5y=12incógnita{\displaystyle 5y=12x}Sin embargo, se resistió a afirmar que estos conjuntos eran equinumerosos , y su trabajo generalmente se considera poco influyente en las matemáticas de su época. [ 18 ] [ 19 ]

Antes de la teoría matemática de conjuntos, los conceptos básicos de infinito se consideraban propios del ámbito de la filosofía (véase: Infinito (filosofía) e Infinito §  Historia ). Desde el siglo V a. C., comenzando con el filósofo griego Zenón de Elea en Occidente (y los primeros matemáticos indios en Oriente), los matemáticos habían lidiado con el concepto de infinito. Con el desarrollo del cálculo a finales del siglo XVII, los filósofos comenzaron a distinguir generalmente entre infinito potencial e infinito real , considerando las matemáticas únicamente en este último. [ 20 ] Carl Friedrich Gauss afirmó célebremente:

El infinito no es más que una figura retórica que nos ayuda a hablar de límites. La noción de un infinito completo no pertenece a las matemáticas. [ 21 ]

El desarrollo de la teoría matemática de conjuntos fue impulsado por varios matemáticos. La conferencia de Bernhard Riemann , Sobre las hipótesis que subyacen a los fundamentos de la geometría (1854), propuso nuevas ideas sobre topología . [ 22 ] Sus conferencias también introdujeron el concepto de fundamentar las matemáticas en términos de conjuntos o variedades en el sentido de una clase (que él llamó Mannigfaltigkeit ), ahora llamada topología de conjuntos de puntos . La conferencia fue publicada por Richard Dedekind en 1868, junto con el artículo de Riemann sobre series trigonométricas (que presentó la integral de Riemann ). Este último fue el punto de partida para un movimiento en el análisis real del estudio de funciones "seriamente" discontinuas . Un joven Georg Cantor entró en esta área, lo que lo llevó al estudio de los conjuntos de puntos . Alrededor de 1871, influenciado por Riemann, Dedekind comenzó a trabajar con conjuntos en sus publicaciones, que trataban de manera muy clara y precisa las relaciones de equivalencia , las particiones de conjuntos y los homomorfismos . Así pues, muchos de los procedimientos habituales de la teoría de conjuntos de las matemáticas del siglo XX se remontan a su obra. Sin embargo, no publicó una explicación formal de su teoría de conjuntos hasta 1888.

Teoría ingenua de conjuntos

Georg Cantor , 1894

La teoría de conjuntos, tal como la entienden los matemáticos modernos, se considera generalmente fundada por un único artículo de 1874 de Georg Cantor titulado Sobre una propiedad de la colección de todos los números algebraicos reales . [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] En su artículo, desarrolló la noción de cardinalidad , comparando los tamaños de dos conjuntos estableciéndolos en correspondencia uno a uno. Su "descubrimiento revolucionario" fue que el conjunto de todos los números reales es incontable , es decir, no se pueden poner todos los números reales en una lista. Este teorema se demuestra utilizando la primera prueba de incontablesidad de Cantor , que difiere de la prueba más conocida que utiliza su argumento diagonal .

Cantor introdujo construcciones fundamentales en la teoría de conjuntos, como el conjunto potencia de un conjunto A , que es el conjunto de todos los subconjuntos posibles de A. Posteriormente demostró que el tamaño del conjunto potencia de A es estrictamente mayor que el tamaño de A , incluso cuando A es un conjunto infinito; este resultado pronto se conoció como el teorema de Cantor . Cantor desarrolló una teoría de los números transfinitos , llamados cardinales y ordinales , que extendió la aritmética de los números naturales. Su notación para los números cardinales fue la letra hebrea{\displaystyle \aleph }( , aleph ) con un subíndice de número natural; para los ordinales empleó la letra griegaω{\displaystyle \omega }( ω , omega ).

La teoría de conjuntos comenzaba a convertirse en un ingrediente esencial del nuevo enfoque “moderno” de las matemáticas. Originalmente, la teoría de los números transfinitos de Cantor se consideró contraintuitiva  , incluso escandalosa. Esto provocó que encontrara resistencia entre matemáticos contemporáneos como Leopold Kronecker y Henri Poincaré , y más tarde entre Hermann Weyl y L. E. J. Brouwer , mientras que Ludwig Wittgenstein planteó objeciones filosóficas (véase: Controversia sobre la teoría de Cantor ). [ a ]

Gottlob Frege , c. 1879

A pesar de la controversia, la teoría de conjuntos de Cantor ganó terreno notable alrededor del cambio de siglo XX con el trabajo de varios matemáticos y filósofos notables. Richard Dedekind, por la misma época, comenzó a trabajar con conjuntos en sus publicaciones, y fue famoso por construir los números reales en 1872 usando cortes de Dedekind . Cantor y Dedekind mantuvieron correspondencia sobre teoría de conjuntos, especialmente en la década de 1870. [ 26 ] Sin embargo, el estilo algebraico de Dedekind no comenzó a encontrar seguidores hasta la década de 1890. Cantor también trabajó con Giuseppe Peano en el desarrollo de los axiomas de Peano , que formalizaron la aritmética de números naturales, utilizando ideas de la teoría de conjuntos, que también introdujeron el símbolo épsilon para la pertenencia a un conjunto . Posiblemente el más destacado, Gottlob Frege comenzó a desarrollar sus Fundamentos de la aritmética .

En su obra, Frege intenta fundamentar todas las matemáticas en términos de axiomas lógicos utilizando la cardinalidad de Cantor. Por ejemplo, la oración "el número de caballos en el establo es cuatro" significa que cuatro objetos caen bajo el concepto de caballo en el establo . Frege intentó explicar nuestra comprensión de los números a través de la cardinalidad ("el número de...", onorteincógnita:Fincógnita{\displaystyle Nx:Fx}), basándose en el principio de Hume .

Bertrand Russell , 1936

Sin embargo, la obra de Frege tuvo una corta duración, ya que Bertrand Russell descubrió que sus axiomas conducían a una contradicción . En concreto, la Ley Fundamental V de Frege (conocida actualmente como el esquema axiomático de la comprensión irrestricta ). Según la Ley Fundamental V , para cualquier propiedad suficientemente bien definida , existe el conjunto de todos y solo los objetos que poseen dicha propiedad. La contradicción, denominada paradoja de Russell , se muestra a continuación:

Sea R el conjunto de todos los conjuntos que no son miembros de sí mismos. (Este conjunto a veces se denomina "conjunto de Russell"). Si R no es miembro de sí mismo, entonces su definición implica que sí lo es; sin embargo, si es miembro de sí mismo, entonces no lo es, puesto que es el conjunto de todos los conjuntos que no son miembros de sí mismos. La contradicción resultante es la paradoja de Russell. En símbolos:

Dejar R={incógnitaincógnitaincógnita}, entonces RRRR{\displaystyle {\text{Sea }}R=\{x\mid x\not \in x\}{\text{, entonces }}R\in R\iff R\not \in R}

Esto ocurrió en un momento marcado por varias paradojas o resultados contraintuitivos. Por ejemplo, que el postulado de las paralelas no se puede demostrar, la existencia de objetos matemáticos que no se pueden calcular ni describir explícitamente, y la existencia de teoremas aritméticos que no se pueden demostrar con la aritmética de Peano . El resultado fue una crisis fundamental de las matemáticas .

Conceptos básicos y notación

La teoría de conjuntos comienza con una relación binaria fundamental entre un objeto o y un conjunto A. Si o es un miembro (o elemento ) de A , se utiliza la notación oA. Un conjunto se describe enumerando sus elementos separados por comas, o mediante una propiedad que los caracteriza, entre llaves { }. [ 27 ] Dado que los conjuntos son objetos, la relación de pertenencia también puede relacionar conjuntos; es decir, los propios conjuntos pueden ser miembros de otros conjuntos.

Una relación binaria derivada entre dos conjuntos es la relación de subconjunto, también llamada inclusión de conjuntos . Si todos los miembros del conjunto A también son miembros del conjunto B , entonces A es un subconjunto de B , denotado AB. Por ejemplo, {1, 2} es un subconjunto de {1, 2, 3} , y también lo es {2}, pero {1, 4} no lo es. Como implica esta definición, un conjunto es un subconjunto de sí mismo. Para los casos en que esta posibilidad no es adecuada o tendría sentido rechazarla, se define el término subconjunto propio , denotado de diversas maneras.AB{\displaystyle A\subset B},AB{\displaystyle A\subsetneq B}, oAB{\displaystyle A\subsetneqq B}(tenga en cuenta, sin embargo, que la notaciónAB{\displaystyle A\subset B}a veces se usa como sinónimo deAB{\displaystyle A\subsetequ B}; es decir, permitiendo la posibilidad de que A y B sean iguales). Llamamos a A un subconjunto propio de B si y solo si A es un subconjunto de B , pero A no es igual a B. Además, 1, 2 y 3 son miembros (elementos) del conjunto {1, 2, 3} , pero no son subconjuntos de él; y a su vez, los subconjuntos, como {1} , no son miembros del conjunto {1, 2, 3} . Pueden existir relaciones más complicadas; por ejemplo, el conjunto {1} es a la vez un miembro y un subconjunto propio del conjunto {1, {1}} .

Así como la aritmética presenta operaciones binarias sobre números , la teoría de conjuntos presenta operaciones binarias sobre conjuntos. [ 28 ] La siguiente es una lista parcial de ellas:

  • La unión de los conjuntos A y B , denotada AB , es el conjunto de todos los objetos que son miembros de A , o de B , o de ambos. [ 29 ] Por ejemplo, la unión de {1, 2, 3} y {2, 3, 4} es el conjunto {1, 2, 3, 4} .
  • La intersección de los conjuntos A y B , denotada AB , es el conjunto de todos los objetos que son miembros tanto de A comode B. [ 30 ] Por ejemplo, la intersección de {1, 2, 3} y {2, 3, 4} es el conjunto {2, 3} .
  • La diferencia de conjuntos de U y A , denotada U A , es el conjunto de todos los miembros de U que no son miembros de A. [ 31 ]La diferencia de conjuntos {1, 2, 3} {2, 3, 4} es {1} , mientras que, a la inversa, la diferencia de conjuntos { 2, 3, 4} {1, 2, 3} es {4} . Cuando A es un subconjunto de U , la diferencia de conjuntos U A también se denomina complemento de A en U. En este caso, si la elección de U es clara por el contexto, a veces se utiliza la notación Ac en lugar de U A , particularmente si U es un conjunto universal como en el estudio de diagramas de Venn . [ 32 ]
  • La diferencia simétrica de los conjuntos A y B , denotada AB o AB , es el conjunto de todos los objetos que pertenecen exactamente a uno de los conjuntos A y B (elementos que están en uno de los conjuntos, pero no en ambos). Por ejemplo, para los conjuntos {1, 2, 3} y {2, 3, 4} , el conjunto de diferencia simétrica es {1, 4} . Es la diferencia de conjuntos de la unión y la intersección, ( AB ) ( AB ) o ( A B ) ∪ ( B A ) .
  • El producto cartesiano de A y B , denotado A × B , es el conjunto cuyos miembros son todos los pares ordenados posibles ( a , b ) , donde a es un miembro de A y b es un miembro de B. Por ejemplo, el producto cartesiano de {1, 2} y {rojo, blanco} es {(1, rojo), (1, blanco), (2, rojo), (2, blanco)}. [ 33 ]

Algunos conjuntos básicos de importancia central son el conjunto de los números naturales , el conjunto de los números reales y el conjunto vacío , el único conjunto que no contiene elementos. El conjunto vacío también se denomina ocasionalmente conjunto nulo , [ 34 ] aunque este nombre es ambiguo y puede dar lugar a varias interpretaciones. El conjunto vacío se puede denotar con llaves vacías.{}{\displaystyle \{\}}" o el símbolo "{\displaystyle \varnothing }" o "{\displaystyle \emptyset }".

El conjunto potencia de un conjunto A , denotadoPAG(A){\displaystyle {\mathcal {P}}(A)}, es el conjunto cuyos miembros son todos los subconjuntos posibles de A . Por ejemplo, el conjunto potencia de {1, 2} es { {}, {1}, {2}, {1, 2} } . Cabe destacar quePAG(A){\displaystyle {\mathcal {P}}(A)}contiene tanto A como el conjunto vacío.

Ontología

Un segmento inicial de la jerarquía de von Neumann

Un conjunto es puro si todos sus miembros son conjuntos, todos los miembros de sus miembros son conjuntos, y así sucesivamente. Por ejemplo, el conjunto que contiene solo el conjunto vacío es un conjunto puro no vacío. En la teoría de conjuntos moderna, es común restringir la atención al universo de von Neumann de conjuntos puros, y muchos sistemas de teoría axiomática de conjuntos están diseñados para axiomatizar solo los conjuntos puros. Esta restricción tiene muchas ventajas técnicas y se pierde poca generalidad, porque esencialmente todos los conceptos matemáticos pueden modelarse mediante conjuntos puros. Los conjuntos en el universo de von Neumann están organizados en una jerarquía acumulativa , basada en la profundidad de anidamiento de sus miembros, miembros de miembros, etc. A cada conjunto en esta jerarquía se le asigna (por recursión transfinita ) un número ordinal.α{\displaystyle \alpha }, conocido como su rango. El rango de un conjunto puroincógnita{\displaystyle X}se define como el ordinal más pequeño que es estrictamente mayor que el rango de cualquiera de sus elementos. Por ejemplo, al conjunto vacío se le asigna el rango 0, mientras que al conjunto que contiene solo el conjunto vacío se le asigna el rango 1. Para cada ordinalα{\displaystyle \alpha }, el conjuntoVα{\displaystyle V_{\alpha }}se define como el conjunto de todos los conjuntos puros con rango menor queα{\displaystyle \alpha }Todo el universo de von Neumann se denota V{\displaystyle V}.

Teoría de conjuntos formalizada

La teoría elemental de conjuntos puede estudiarse de forma informal e intuitiva, por lo que puede enseñarse en la escuela primaria mediante diagramas de Venn . El enfoque intuitivo presupone tácitamente que un conjunto puede formarse a partir de la clase de todos los objetos que satisfacen una condición definitoria particular. Esta suposición da lugar a paradojas, las más simples y conocidas de las cuales son la paradoja de Russell y la paradoja de Burali-Forti . La teoría axiomática de conjuntos se ideó originalmente para eliminar dichas paradojas de la teoría de conjuntos. [ nota 1 ]

Los sistemas de teoría axiomática de conjuntos más estudiados implican que todos los conjuntos forman una jerarquía acumulativa . [ b ] Dichos sistemas se presentan en dos variantes: aquellos cuya ontología consiste en:

Los sistemas mencionados anteriormente pueden modificarse para permitir urelementos , objetos que pueden ser miembros de conjuntos pero que no son conjuntos en sí mismos y no tienen miembros. La teoría de conjuntos de Zermelo se definió originalmente sobre un dominio que constaba tanto de conjuntos como de urelementos.

Los sistemas de Nuevas Fundaciones ( NFU , que permite urelementos ) y NF , que carece de ellos), asociados con Willard Van Orman Quine , no se basan en una jerarquía acumulativa. NF y NFU incluyen un "conjunto de todo", con respecto al cual cada conjunto tiene un complemento. En estos sistemas, los urelementos importan porque NF, pero no NFU, produce conjuntos para los cuales el axioma de elección no se cumple. A pesar de que la ontología de NF no refleja la jerarquía acumulativa tradicional y viola la buena fundamentación, Thomas Forster ha argumentado que sí refleja una concepción iterativa de conjunto . [ 35 ]

Los sistemas de teoría constructiva de conjuntos , como CST, CZF e IZF, incorporan sus axiomas de conjuntos en la lógica intuicionista en lugar de la clásica . Otros sistemas aceptan la lógica clásica, pero presentan una relación de pertenencia no estándar. Entre ellos se incluyen la teoría de conjuntos aproximados y la teoría de conjuntos difusos , en las que el valor de una fórmula atómica que representa la relación de pertenencia no es simplemente verdadero o falso . Los modelos booleanos de ZFC constituyen un tema relacionado.

Edward Nelson propuso en 1977 una ampliación de ZFC denominada teoría de conjuntos internos. [ 36 ]

Aplicaciones

Muchos conceptos matemáticos pueden definirse con precisión utilizando únicamente conceptos de la teoría de conjuntos. Por ejemplo, estructuras matemáticas tan diversas como grafos , variedades , anillos , espacios vectoriales y álgebras relacionales pueden definirse como conjuntos que satisfacen diversas propiedades (axiomáticas). Las relaciones de equivalencia y orden son omnipresentes en matemáticas, y la teoría de las relaciones matemáticas puede describirse mediante la teoría de conjuntos. [ 37 ] [ 38 ]

La teoría de conjuntos es también un sistema fundamental prometedor para gran parte de las matemáticas. Desde la publicación del primer volumen de Principia Mathematica , se ha afirmado que la mayoría (o incluso todos) los teoremas matemáticos pueden derivarse utilizando un conjunto de axiomas de la teoría de conjuntos diseñado adecuadamente, complementado con numerosas definiciones, mediante lógica de primer o segundo orden . Por ejemplo, las propiedades de los números naturales y reales pueden derivarse dentro de la teoría de conjuntos, ya que cada uno de estos sistemas numéricos puede definirse representando sus elementos como conjuntos de formas específicas. [ 39 ]

La teoría de conjuntos como fundamento del análisis matemático , la topología , el álgebra abstracta y las matemáticas discretas es igualmente indiscutible; los matemáticos aceptan (en principio) que los teoremas en estas áreas pueden derivarse de las definiciones y los axiomas pertinentes de la teoría de conjuntos. Sin embargo, aún quedan pocas derivaciones completas de teoremas matemáticos complejos de la teoría de conjuntos que hayan sido verificadas formalmente, ya que dichas derivaciones formales suelen ser mucho más largas que las demostraciones en lenguaje natural que los matemáticos presentan habitualmente. Un proyecto de verificación, Metamath , incluye derivaciones escritas por humanos y verificadas por computadora de más de 12 000 teoremas que parten de la teoría de conjuntos ZFC , la lógica de primer orden y la lógica proposicional . [ 40 ]

Áreas de estudio

La teoría de conjuntos es un área importante de investigación en matemáticas con muchos subcampos interrelacionados:

Teoría descriptiva de conjuntos

La teoría descriptiva de conjuntos estudia los subconjuntos de la recta real y, de forma más general, los subconjuntos de los espacios polacos . Comienza con el estudio de las clases de puntos en la jerarquía de Borel y se extiende al estudio de jerarquías más complejas, como la jerarquía proyectiva y la jerarquía de Wadge . Muchas propiedades de los conjuntos de Borel pueden establecerse en ZFC, pero demostrar que estas propiedades se cumplen para conjuntos más complejos requiere axiomas adicionales relacionados con la determinabilidad y los cardinales grandes.

El campo de la teoría descriptiva de conjuntos efectiva se sitúa entre la teoría de conjuntos y la teoría de la recursión . Incluye el estudio de las clases de puntos lightface y está estrechamente relacionado con la teoría hiperaritmética . En muchos casos, los resultados de la teoría descriptiva de conjuntos clásica tienen versiones efectivas; en algunos casos, se obtienen nuevos resultados demostrando primero la versión efectiva y luego extendiéndola ("relativizándola") para hacerla más aplicable.

Un área de investigación reciente se centra en las relaciones de equivalencia de Borel y en relaciones de equivalencia definibles más complejas . Esto tiene importantes aplicaciones en el estudio de invariantes en diversos campos de las matemáticas.

teoría de conjuntos difusos

En la teoría de conjuntos, tal como la definió Cantor y la axiomatizaron Zermelo y Fraenkel, un objeto pertenece o no a un conjunto. En la teoría de conjuntos difusos, Lotfi A. Zadeh flexibilizó esta condición, de modo que un objeto tiene un grado de pertenencia a un conjunto, un número entre 0 y 1. Por ejemplo, el grado de pertenencia de una persona al conjunto de "personas altas" es más flexible que una simple respuesta de sí o no, y puede ser un número real como 0,75.

teoría del modelo interno

Un modelo interno de la teoría de conjuntos de Zermelo-Fraenkel (ZF) es una clase transitiva que incluye todos los ordinales y satisface todos los axiomas de ZF. El ejemplo canónico es el universo construible L desarrollado por Gödel. Una de las razones por las que el estudio de los modelos internos resulta interesante es que puede utilizarse para demostrar resultados de consistencia. Por ejemplo, se puede demostrar que, independientemente de si un modelo V de ZF satisface la hipótesis del continuo o el axioma de elección , el modelo interno L construido dentro del modelo original satisfará tanto la hipótesis generalizada del continuo como el axioma de elección. Por lo tanto, la suposición de que ZF es consistente (tiene al menos un modelo) implica que ZF, junto con estos dos principios, es consistente.

El estudio de modelos internos es común en el estudio de la determinismo y los cardinales grandes , especialmente al considerar axiomas como el de determinismo que contradicen el axioma de elección. Incluso si un modelo fijo de teoría de conjuntos satisface el axioma de elección, es posible que un modelo interno no lo satisfaga. Por ejemplo, la existencia de cardinales suficientemente grandes implica que existe un modelo interno que satisface el axioma de determinismo (y, por lo tanto, no satisface el axioma de elección). [ 41 ]

Cardenales grandes

Un cardinal grande es un número cardinal con una propiedad adicional. Se estudian muchas de estas propiedades, incluyendo cardinales inaccesibles , cardinales medibles y muchas más. Estas propiedades suelen implicar que el número cardinal debe ser muy grande, y la existencia de un cardinal con la propiedad especificada es indemostrable en la teoría de conjuntos de Zermelo-Fraenkel .

Determinación

La determinismo se refiere al hecho de que, bajo supuestos apropiados, ciertos juegos de dos jugadores con información perfecta están determinados desde el principio, en el sentido de que un jugador debe tener una estrategia ganadora. La existencia de estas estrategias tiene importantes consecuencias en la teoría descriptiva de conjuntos, ya que el supuesto de que una clase más amplia de juegos está determinada a menudo implica que una clase más amplia de conjuntos tendrá una propiedad topológica. El axioma de determinismo (AD) es un importante objeto de estudio; aunque incompatible con el axioma de elección, AD implica que todos los subconjuntos de la recta real se comportan correctamente (en particular, son medibles y poseen la propiedad de conjunto perfecto). AD puede utilizarse para demostrar que los grados de Wadge tienen una estructura elegante.

Forzando

Paul Cohen inventó el método de forzamiento mientras buscaba un modelo de ZFC en el que fallara la hipótesis del continuo , o un modelo de ZF en el que fallara el axioma de elección . El forzamiento añade conjuntos adicionales a un modelo dado de teoría de conjuntos para crear un modelo más grande con propiedades determinadas (es decir, "forzadas") por la construcción y el modelo original. Por ejemplo, la construcción de Cohen añade subconjuntos adicionales de los números naturales sin cambiar ninguno de los números cardinales del modelo original. El forzamiento es también uno de los dos métodos para probar la consistencia relativa mediante métodos finitistas; el otro método son los modelos con valores booleanos .

invariantes cardinales

Un invariante cardinal es una propiedad de la recta real medida por un número cardinal. Por ejemplo, un invariante ampliamente estudiado es la cardinalidad mínima de un conjunto de subconjuntos de números reales cuya unión es toda la recta real. Estos son invariantes en el sentido de que cualesquiera dos modelos isomorfos de la teoría de conjuntos deben dar el mismo cardinal para cada invariante. Se han estudiado muchos invariantes cardinales, y las relaciones entre ellos suelen ser complejas y estar relacionadas con axiomas de la teoría de conjuntos.

Relación con otras áreas de las matemáticas

Topología basada en la teoría de conjuntos

La topología conjuntista estudia cuestiones de topología general que son inherentemente conjuntistas o que requieren métodos avanzados de teoría de conjuntos para su solución. Muchos de estos teoremas son independientes de ZFC, lo que exige axiomas más fuertes para su demostración. Un problema famoso es el del espacio de Moore normal , una cuestión de topología general que fue objeto de intensa investigación. Finalmente, se demostró que la respuesta al problema del espacio de Moore normal era independiente de ZFC.

Teoría combinatoria de conjuntos

La teoría combinatoria de conjuntos se ocupa de las extensiones de la combinatoria finita a conjuntos infinitos. Esto incluye el estudio de la aritmética cardinal y el estudio de extensiones del teorema de Ramsey, como el teorema de Erdős-Rado .

Teoría de categorías

La teoría de conjuntos y la teoría de categorías son áreas distintas pero estrechamente relacionadas de las matemáticas. La teoría de conjuntos es la base para describir colecciones de objetos matemáticos ; la teoría de categorías a menudo se basa en esta base para describir las relaciones entre objetos matemáticos. Debido a la fuerte relación entre la teoría de conjuntos y la teoría de categorías, ambos campos se influyen mutuamente con frecuencia. [ 42 ] Tanto la teoría de conjuntos como la teoría de categorías intentan proporcionar una base para las matemáticas; sin embargo, adoptan enfoques diferentes para lograr este objetivo. La teoría de conjuntos parte de la idea de "conjunto" y los criterios de pertenencia. La teoría de categorías parte de los objetos matemáticos y las relaciones entre ellos, tratando los conjuntos como un tipo particular de estructura dentro de este marco más amplio. [ 43 ]

Controversia

Desde sus inicios, algunos matemáticos se han opuesto a la teoría de conjuntos como fundamento de las matemáticas . La objeción más común, expresada por Kronecker en sus primeros años, parte de la visión constructivista que considera que las matemáticas están vagamente relacionadas con la computación. Si se acepta esta visión, el tratamiento de conjuntos infinitos, tanto en la teoría de conjuntos ingenua como en la axiomática, introduce en las matemáticas métodos y objetos que, en principio, no son computables. La viabilidad del constructivismo como fundamento alternativo para las matemáticas aumentó considerablemente gracias al influyente libro de Errett Bishop , *Fundamentos del análisis constructivo* . [ 44 ]

Otra objeción planteada por Henri Poincaré es que definir conjuntos utilizando los esquemas axiomáticos de especificación y reemplazo , así como el axioma del conjunto potencia , introduce impredicatividad , un tipo de circularidad , en las definiciones de objetos matemáticos. El alcance de las matemáticas basadas en la predicación, si bien es menor que el de la teoría de Zermelo-Fraenkel comúnmente aceptada, es mucho mayor que el de las matemáticas constructivas, hasta el punto de que Solomon Feferman ha afirmado que «todo análisis científicamente aplicable puede desarrollarse [utilizando métodos predicativos]». [ 45 ]

Ludwig Wittgenstein condenó filosóficamente la teoría de conjuntos por sus connotaciones de platonismo matemático . [ 46 ] Escribió que «la teoría de conjuntos es errónea», puesto que se basa en el «absurdo» del simbolismo ficticio, tiene «idiomas perniciosos» y que es absurdo hablar de «todos los números». [ 47 ] Wittgenstein identificó las matemáticas con la deducción humana algorítmica; [ 48 ] la necesidad de una base segura para las matemáticas le parecía absurda. [ 49 ] Además, puesto que el esfuerzo humano es necesariamente finito, la filosofía de Wittgenstein requería un compromiso ontológico con el constructivismo radical y el finitismo . Las afirmaciones metamatemáticas —que, para Wittgenstein, incluían cualquier afirmación que cuantificara sobre dominios infinitos, y por lo tanto casi toda la teoría de conjuntos moderna— no son matemáticas. [ 50 ] Pocos filósofos modernos han adoptado las ideas de Wittgenstein tras un error garrafal en Observaciones sobre los fundamentos de las matemáticas : Wittgenstein intentó refutar los teoremas de incompletitud de Gödel tras haber leído únicamente el resumen. Como señalaron los críticos Kreisel , Bernays , Dummett y Goodstein , muchas de sus críticas no se aplicaban al artículo en su totalidad. Solo recientemente filósofos como Crispin Wright han comenzado a rehabilitar los argumentos de Wittgenstein. [ 51 ]

Los teóricos de categorías han propuesto la teoría de topos como una alternativa a la teoría de conjuntos axiomática tradicional. La teoría de topos puede interpretar varias alternativas a dicha teoría, como el constructivismo , la teoría de conjuntos finitos y la teoría de conjuntos computables . [ 52 ] [ 53 ] Los topos también proporcionan un entorno natural para la imposición y las discusiones sobre la independencia de la elección respecto de ZF, además de proporcionar el marco para la topología sin sentido y los espacios de Stone . [ 54 ]

Un área activa de investigación son los fundamentos univalentes y, relacionada con ellos, la teoría de tipos homotópicos . Dentro de la teoría de tipos homotópicos, un conjunto puede considerarse como un homotopía de tipo 0, con propiedades universales de conjuntos que surgen de las propiedades inductivas y recursivas de tipos inductivos superiores . Principios como el axioma de elección y la ley del tercero excluido pueden formularse de manera que corresponda a la formulación clásica en la teoría de conjuntos o, quizás, de maneras distintas propias de la teoría de tipos. Algunos de estos principios pueden demostrarse como consecuencia de otros. La variedad de formulaciones de estos principios axiomáticos permite un análisis detallado de las formulaciones necesarias para derivar diversos resultados matemáticos. [ 55 ] [ 56 ]

Educación matemática

A medida que la teoría de conjuntos ganó popularidad como fundamento de las matemáticas modernas, ha habido apoyo a la idea de introducir los conceptos básicos de la teoría ingenua de conjuntos desde las primeras etapas de la enseñanza de las matemáticas .

En Estados Unidos, en la década de 1960, el experimento de las Nuevas Matemáticas tenía como objetivo enseñar teoría básica de conjuntos, entre otros conceptos abstractos, a estudiantes de primaria , pero recibió muchas críticas. [ 57 ] El programa de matemáticas en las escuelas europeas siguió esta tendencia y actualmente incluye la materia en diferentes niveles en todos los grados. Los diagramas de Venn se utilizan ampliamente para explicar relaciones básicas de la teoría de conjuntos a estudiantes de primaria (aunque John Venn los ideó originalmente como parte de un procedimiento para evaluar la validez de las inferencias en lógica de términos ).

La teoría de conjuntos se utiliza para introducir a los estudiantes a los operadores lógicos (NOT, AND, OR) y a la descripción semántica o de reglas (técnicamente definición intensional ) [ 58 ] de conjuntos (por ejemplo, "meses que comienzan con la letra A "), lo cual puede ser útil al aprender programación informática , ya que la lógica booleana se utiliza en varios lenguajes de programación . Asimismo, los conjuntos y otros objetos similares a colecciones, como los multiconjuntos y las listas , son tipos de datos comunes en informática y programación. [ 59 ]

Además de eso, ciertos conjuntos se utilizan comúnmente en la enseñanza de las matemáticas (como los conjuntosnorte{\displaystyle \mathbb {N} }de números naturales ,Z{\displaystyle \mathbb {Z} }de enteros ,R{\displaystyle \mathbb {R} }de números reales , etc.). Estos se utilizan comúnmente al definir una función matemática como una relación de un conjunto (el dominio ) a otro conjunto (el rango ). [ 60 ]

Bibliografía

Véase también

Notas

  1. En su artículo de 1925 "Una axiomatización de la teoría de conjuntos", John von Neumann observó que "la teoría de conjuntos en su primera versión, "ingenua", debida a Cantor, conducía a contradicciones. Estas son las conocidas antinomias del conjunto de todos los conjuntos que no se contienen a sí mismos (Russell), del conjunto de todos los números ordinales transfinitos (Burali-Forti) y del conjunto de todos los números reales finitamente definibles (Richard)". Continúa observando que dos "tendencias" intentaban "rehabilitar" la teoría de conjuntos. Del primer esfuerzo, ejemplificado por Bertrand Russell , Julius König , Hermann Weyl y LEJ Brouwer , von Neumann llamó al "efecto general de su actividad... devastador". Con respecto al método axiomático empleado por el segundo grupo compuesto por Zermelo, Fraenkel y Schoenflies, von Neumann se preocupaba porque «Solo vemos que fallan los modos de inferencia conocidos que conducen a las antinomias, pero ¿quién sabe dónde no hay otros?», y se propuso, «con el espíritu del segundo grupo», «producir, mediante un número finito de operaciones puramente formales... todos los conjuntos que queremos ver formados», pero sin permitir las antinomias. (Todas las citas de von Neumann 1925 reimpresas en van Heijenoort, Jean (1967, tercera edición 1976), From Frege to Gödel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879–1931 , Harvard University Press, Cambridge MA, ISBN 0-674-32449-8(pbk). Una sinopsis de la historia, escrita por van Heijenoort, se puede encontrar en los comentarios que preceden al artículo de von Neumann de 1925.
  1. Las objeciones a la obra de Cantor fueron a veces feroces: la oposición pública y los ataques personales de Leopold Kronecker incluyeron describir a Cantor como un "charlatán científico", un "renegado" y un "corruptor de la juventud". Kronecker objetó las demostraciones de Cantor de que los números algebraicos son numerables y que los números trascendentales son incontables, resultados que ahora se incluyen en un currículo estándar de matemáticas. Décadas después de la muerte de Cantor, Wittgenstein lamentó que las matemáticas estuvieran "plagadas hasta la médula de los perniciosos modismos de la teoría de conjuntos", que desestimó como "un completo disparate", "ridículo" y "erróneo".
  2. Esto es lo contrario para ZFC; V es un modelo de ZFC.

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  49. Rodych 2018 , §3.4 : «Dado que las matemáticas son una " mezcla heterogénea de técnicas de demostración" (RFM III, §46), no requieren un fundamento (RFM VII, §16) y no se les puede dar un fundamento evidente (PR §160; WVC 34 y 62; RFM IV, §3). Puesto que la teoría de conjuntos se inventó para proporcionar a las matemáticas un fundamento, es, como mínimo, innecesaria.»
  50. Rodych 2018 , §2.2 : "Una expresión que cuantifica sobre un dominio infinito nunca es una proposición significativa, ni siquiera cuando hemos demostrado, por ejemplo, que un número particular n tiene una propiedad particular."
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