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Tema 1 - El cuerpo de los números reales

Introducción

Existen diversos enfoques para introducir los números reales:

  1. Construcción progresiva: partiendo de los números naturales N={1,2,3,… }\mathbb{N} = \{1, 2, 3, \dots\}, se construyen los números enteros Z\mathbb{Z}, luego los números racionales Q\mathbb{Q}, y finalmente los números irracionales como 2\sqrt{2} o π\pi. Los números reales R\mathbb{R} son la unión de racionales e irracionales.
  2. Enfoque axiomático: en este curso se adoptará esta perspectiva, caracterizando R\mathbb{R} mediante axiomas agrupados en tres categorías:
    • Axiomas de cuerpo.
    • Axiomas de orden.
    • Axioma del supremo (completitud o continuidad).

Axiomas de cuerpo

El conjunto de los números reales R\mathbb{R} tiene dos operaciones internas: suma ++ y producto ⋅\cdot, que cumplen las siguientes propiedades:

Propiedades de la suma ++

  1. Asociativa: x+(y+z)=(x+y)+z,∀x,y,z∈Rx + (y + z) = (x + y) + z, \forall x, y, z \in \mathbb{R}.
  2. Conmutativa: x+y=y+x,∀x,y∈Rx + y = y + x, \forall x, y \in \mathbb{R}.
  3. Elemento neutro: existe 0∈R0 \in \mathbb{R} tal que x+0=x,∀x∈Rx + 0 = x, \forall x \in \mathbb{R}.
  4. Elemento opuesto: para todo x∈Rx \in \mathbb{R} existe −x∈R-x \in \mathbb{R} tal que x+(−x)=0x + (-x) = 0.

Propiedades del producto ⋅\cdot

  1. Asociativa: x⋅(y⋅z)=(x⋅y)⋅z,∀x,y,z∈Rx \cdot (y \cdot z) = (x \cdot y) \cdot z, \forall x, y, z \in \mathbb{R}.
  2. Conmutativa: x⋅y=y⋅x,∀x,y∈Rx \cdot y = y \cdot x, \forall x, y \in \mathbb{R}.
  3. Elemento unidad: existe 1∈R,1≠01 \in \mathbb{R}, 1 \neq 0, tal que x⋅1=x,∀x∈Rx \cdot 1 = x, \forall x \in \mathbb{R}.
  4. Elemento inverso: para todo x≠0x \neq 0, existe x−1∈Rx^{-1} \in \mathbb{R} tal que x⋅x−1=1x \cdot x^{-1} = 1.
  5. Distributiva: x⋅(y+z)=x⋅y+x⋅z,∀x,y,z∈Rx \cdot (y + z) = x \cdot y + x \cdot z, \forall x, y, z \in \mathbb{R}.

Un conjunto que cumple estas propiedades tiene estructura de cuerpo conmutativo.


Axiomas de orden

El conjunto R\mathbb{R} está ordenado por una relación ≤\leq, que cumple:

  1. Reflexiva: x≤x,∀x∈Rx \leq x, \forall x \in \mathbb{R}.
  2. Antisimétrica: si x≤yx \leq y y y≤xy \leq x, entonces x=yx = y.
  3. Transitiva: si x≤yx \leq y y y≤zy \leq z, entonces x≤zx \leq z.
  4. Totalidad: x≤yx \leq y o y≤x,∀x,y∈Ry \leq x, \forall x, y \in \mathbb{R}.
  5. Compatibilidad con la suma: si x≤yx \leq y, entonces x+z≤y+z,∀z∈Rx + z \leq y + z, \forall z \in \mathbb{R}.
  6. Compatibilidad con el producto: si x≤yx \leq y y z≥0z \geq 0, entonces x⋅z≤y⋅zx \cdot z \leq y \cdot z.

La recta real

Los números reales se representan geométricamente como puntos en una recta:

  • Si x<yx < y, el punto xx está a la izquierda de yy.
  • Los números positivos están a la derecha del 0; los negativos, a la izquierda.

Intervalos en R\mathbb{R}

TipoNotaciónDefinición
Abierto(a,b)(a, b){x∈R:a<x<b}\{ x \in \mathbb{R} : a < x < b \}
Cerrado[a,b][a, b]{x∈R:a≤x≤b}\{ x \in \mathbb{R} : a \leq x \leq b \}
Semi-abierto(a,b](a, b]{x∈R:a<x≤b}\{ x \in \mathbb{R} : a < x \leq b \}
Semi-cerrado[a,b)[a, b){x∈R:a≤x<b}\{ x \in \mathbb{R} : a \leq x < b \}

Intervalos infinitos también son posibles, como (−∞,b](-\infty, b] o [a,+∞)[a, +\infty).


Axioma del supremo

Todo conjunto no vacío y acotado superiormente en R\mathbb{R} tiene un supremo sup⁡\sup.

α=sup⁡(A)  ⟺  α≥x,∀x∈A y ∀ε>0,∃x∈A:α−ε<x≤α\alpha = \sup(A) \iff \alpha \geq x, \forall x \in A \text{ y } \forall \varepsilon > 0, \exists x \in A : \alpha - \varepsilon < x \leq \alpha

En resumen esto signfica que α\alpha es el menor de los límites superiores de AA.

Axioma del ínfimo

Análogo al supremo, pero para conjuntos acotados inferiormente.

β=inf⁡(A)  ⟺  β≤x,∀x∈A y ∀ε>0,∃x∈A:β≤x<β+ε\beta = \inf(A) \iff \beta \leq x, \forall x \in A \text{ y } \forall \varepsilon > 0, \exists x \in A : \beta \leq x < \beta + \varepsilon

En resumen esto signfica que β\beta es el mayor de los límites inferiores de AA.


Valor absoluto

El valor absoluto de x∈Rx \in \mathbb{R} está definido como:

∣x∣={x,si x≥0−x,si x<0.|x| = \begin{cases} x, & \text{si } x \geq 0 \\\\ -x, & \text{si } x < 0. \end{cases}

Propiedades:

  1. ∣x∣≥0|x| \geq 0.
  2. ∣x∣=0  ⟺  x=0|x| = 0 \iff x = 0.
  3. ∣x∣=∣−x∣|x| = |-x|.
  4. ∣x⋅y∣=∣x∣⋅∣y∣|x \cdot y| = |x| \cdot |y|.
  5. ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣|x + y| \leq |x| + |y| (Desigualdad triangular).