Einführung in das mathematische Arbeiten - an der Fakultät für ...
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<strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>in</strong> <strong>das</strong> <strong>mathematische</strong><br />
<strong>Arbeiten</strong><br />
Skriptum zur Vorlesung WS 2002/03<br />
Herm<strong>an</strong>n Schichl
D<strong>an</strong>ksagung<br />
Herzlichen D<strong>an</strong>k <strong>an</strong> Christoph Marx und Rol<strong>an</strong>d Ste<strong>in</strong>bauer <strong>für</strong> ihre Anregungen und<br />
Beiträge zu diesem Skriptum.
Inhaltsverzeichnis<br />
D<strong>an</strong>ksagung 0<br />
Kapitel 1. E<strong>in</strong>leitung 3<br />
1.1. Hürden zu Studienbeg<strong>in</strong>n 4<br />
1.2. Schulstoff 6<br />
1.3. Aufbaustoff 7<br />
Kapitel 2. Grundlagen 9<br />
2.1. Beweise 9<br />
2.2. Indizes 10<br />
2.3. Summen, Produkte — Zeichen 11<br />
2.4. Gleichungsumformungen <strong>in</strong> Beweisen — Stil und Fallen 14<br />
2.5. Vollständige Induktion 17<br />
Kapitel 3. Logik, Mengenlehre 25<br />
3.1. Boolesche Algebren 25<br />
3.2. Aussagen, Logik 30<br />
3.3. Mengen 38<br />
3.4. Axiomatische Mengenlehre 58<br />
Kapitel 4. Algebra 61<br />
4.1. Motivation 62<br />
4.2. Gruppen 65<br />
4.3. R<strong>in</strong>ge 74<br />
4.4. Körper 77<br />
¡<br />
¢<br />
£<br />
¤<br />
¥<br />
Kapitel 5. Zahlenmengen 83<br />
5.1. Die natürlichen Zahlen 83<br />
5.2. Die g<strong>an</strong>zen Zahlen 90<br />
5.3. Die rationalen Zahlen 93<br />
5.4. Die reellen Zahlen 97<br />
5.5. Die komplexen Zahlen 108<br />
5.6. Die Quaternionen 113<br />
Literaturverzeichnis 117<br />
1
KAPITEL 1<br />
E<strong>in</strong>leitung<br />
Im Vergleich mit vielen <strong>an</strong><strong>der</strong>en Studien, selbst mit den <strong>an</strong><strong>der</strong>en naturwissenschaftlichen,<br />
hat <strong>das</strong> Mathematikstudium e<strong>in</strong>e höhere Drop-Out–Rate, und viele Studenten geben bereits<br />
im ersten Studienabschnitt auf.<br />
E<strong>in</strong> Hauptgrund <strong>für</strong> dieses Faktum liegt dar<strong>in</strong>, <strong>das</strong>s sich die Art wie Mathematik <strong>an</strong> <strong>der</strong><br />
Universität betrieben wird, grundlegend unterscheidet von dem, was m<strong>an</strong> aus <strong>der</strong> Schule<br />
gewohnt ist. Während <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule <strong>das</strong> Hauptaugenmerk auf <strong>das</strong> Lösen von Beispielen gerichtet<br />
ist und <strong>für</strong> die meisten Lehrer <strong>das</strong> Algorithmische im Vor<strong>der</strong>grund steht (<strong>das</strong> Erlernen<br />
von Schemata zur Beh<strong>an</strong>dlung von St<strong>an</strong>dardproblemen), tritt dies <strong>an</strong> <strong>der</strong> Universität merklich<br />
<strong>in</strong> den H<strong>in</strong>tergrund. Es ist <strong>in</strong> Wahrheit so, <strong>das</strong>s selbst die besten Fähigkeiten <strong>in</strong> diesem<br />
Gebiet nicht ausreichen, e<strong>in</strong> Mathematikstudium, sei es zum Lehramt o<strong>der</strong> zum Diplom,<br />
erfolgreich abzuschließen.<br />
In <strong>der</strong> Verg<strong>an</strong>genheit hat die Erfahrung gezeigt, <strong>das</strong>s bereits <strong>in</strong> <strong>der</strong> Studiene<strong>in</strong>g<strong>an</strong>gsphase<br />
(<strong>in</strong> den ersten wenigen Wochen) zwei Fakten zu e<strong>in</strong>er Fehle<strong>in</strong>schätzung des Studiums durch<br />
die Studenten führen.<br />
• Die sche<strong>in</strong>bare E<strong>in</strong>fachheit des zu Beg<strong>in</strong>n gelehrten Stoffes — <strong>der</strong> Stoff, <strong>der</strong> <strong>in</strong> den<br />
Vorlesungen zu Beg<strong>in</strong>n vorgetragen wird, sche<strong>in</strong>t den meisten wohlbek<strong>an</strong>nt und<br />
leicht verständlich. Dies verführt dazu, sich zu Beg<strong>in</strong>n auf dem <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule gelernten<br />
”<br />
auszuruhen“ und den Punkt zu verschlafen, <strong>an</strong> dem <strong>der</strong> sichere Hafen des<br />
bereits Erlernten verlassen wird. Der Stoff sieht nämlich nur auf den ersten Blick<br />
e<strong>in</strong>fach aus, denn die wahre Schwierigkeit liegt nicht dar<strong>in</strong> was beh<strong>an</strong>delt<br />
wird son<strong>der</strong>n wie es beh<strong>an</strong>delt wird. Je<strong>der</strong> sollte also die sche<strong>in</strong>bare E<strong>in</strong>fachheit<br />
zu Beg<strong>in</strong>n dazu nützen, zunächst zu verstehen, wie <strong>der</strong> Stoff präsentiert wird<br />
und warum <strong>das</strong> gerade so geschieht.<br />
• Der Abstraktionsschock hängt unmittelbar mit dem zuvor gesagten zusammen. Während<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule die meisten Lehrer Mathematik <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d von Beispielen erklären<br />
und weiterentwickeln, ja <strong>der</strong> gesamte Unterricht meist darauf fokussiert wird, dienen<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> höheren Mathematik Beispiele vor allem dazu Sachverhalte zu illustrieren.<br />
Die wahre Entwicklung erfolgt <strong>in</strong>nerhalb abstrakter Strukturen; diese werden<br />
durch möglichst wenige grundlegende Attribute def<strong>in</strong>iert, und weitere gültige Eigenschaften<br />
sowie Querbeziehungen zu <strong>an</strong><strong>der</strong>en Strukturen werden <strong>in</strong> Beweisen<br />
mittels logischer Schlußfolgerungen aus diesen Grundlagen und bereits bek<strong>an</strong>nten<br />
Tatsachen abgeleitet.<br />
E<strong>in</strong>er <strong>der</strong> häufigsten Fehler von Studien<strong>an</strong>fängern liegt dar<strong>in</strong>, den Beweisen nicht<br />
die nötige Aufmerksamkeit zukommen zu lassen. Das heißt den wahren Geist <strong>der</strong><br />
Mathematik zu verfehlen und die wahren Schwierigkeiten, beson<strong>der</strong>s am Anf<strong>an</strong>g, zu<br />
übersehen. Zusätzlich führt es dazu, <strong>das</strong>s nach wenigen Wochen des Studiums plötzlich<br />
die geschaffenen Strukturen e<strong>in</strong>en Umf<strong>an</strong>g und e<strong>in</strong> solches Abstraktionsniveau<br />
erreicht haben, <strong>das</strong>s sich <strong>das</strong> alles mit Schulwissen und Beispielen alle<strong>in</strong> nicht mehr<br />
überblicken lässt. Mitlernen und H<strong>in</strong>terfragen des Gehörten bereits zu Beg<strong>in</strong>n des<br />
Studiums helfen, den Schock zu verr<strong>in</strong>gern o<strong>der</strong> gar zu verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n.<br />
3
4 1. EINLEITUNG<br />
Diese Lehrver<strong>an</strong>staltung wurde im Studienpl<strong>an</strong> e<strong>in</strong>geführt mit dem Ged<strong>an</strong>ken, e<strong>in</strong>e Brücke<br />
zu schlagen zwischen dem Schulstoff und <strong>der</strong> Art wie Mathematik <strong>an</strong> den Universitäten gelehrt<br />
wird. Sie soll dazu dienen, die Studien<strong>an</strong>fänger <strong>an</strong> den abstrakten Zug<strong>an</strong>g zu gewöhnen.<br />
Gleichzeitig sollen die Studierenden auf e<strong>in</strong> <strong>an</strong>nähernd e<strong>in</strong>heitliches Wissensniveau her<strong>an</strong>geführt<br />
werden, <strong>das</strong> auf Grund verschiedener Lehrer und verschiedener Lehrpläne <strong>in</strong> den<br />
e<strong>in</strong>zelnen Schultypen besteht.<br />
1.1. Hürden zu Studienbeg<strong>in</strong>n<br />
Das Mathematikstudium bietet den meisten Studien<strong>an</strong>fängern zu Beg<strong>in</strong>n e<strong>in</strong>ige grundlegende<br />
Hürden, die <strong>in</strong> diesem Kapitel <strong>an</strong>gesprochen werden sollen.<br />
1.1.1. ”<br />
Buchstabenrechnen“ versus ”<br />
Zahlenrechnen“ — Abstraktion. Zahlen<br />
spielen im Mathematikstudium e<strong>in</strong>e gegenüber <strong>der</strong> Schule untergeordnete Bedeutung. Re<strong>in</strong>es<br />
Rechnen ist ke<strong>in</strong> grundlegen<strong>der</strong> Best<strong>an</strong>dteil des Lehrstoffes, es ist allerd<strong>in</strong>gs Voraussetzung<br />
und wird nicht wie<strong>der</strong>holt. Im Rahmen von Beispielen wird <strong>das</strong> Rechnen mit Zahlen dazu<br />
her<strong>an</strong>gezogen, die abgeleiteten Theoreme zu illustrieren. ACHTUNG: Das bedeutet<br />
nicht, <strong>das</strong>s richtiges Rechnen im Mathematikstudium zweitr<strong>an</strong>gig ist! Es ist unverzichtbare<br />
Grundlage.<br />
E<strong>in</strong> großer Teil <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Theorie wird durch abstrakteres Ableiten gewonnen.<br />
Dabei spielen mitunter auch Rechenvorgänge e<strong>in</strong>e wichtige Rolle, diese Ableitungen zielen<br />
jedoch meist darauf ab, möglichste Allgeme<strong>in</strong>heit <strong>in</strong> den Aussagen zu erzielen.<br />
Das ”<br />
Buchstabenrechnen“ steht also im Mathematikstudium im Vor<strong>der</strong>grund.<br />
1.1.2. Ich habe genau e<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong>“ — Sprache. Die Sprache dient <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik,<br />
wie auch im täglichen Leben, <strong>der</strong> Informationsübermittlung. Die Aufgabe des<br />
”<br />
Sprechers ist es dabei, durch geeignete Sprachwahl dem Hörer möglichst wenig Mühe beim<br />
Verstehen zu verursachen. Der Beruf des Mathematikers prägt die verwendete Sprache, wie<br />
<strong>das</strong> bei jedem Beruf <strong>der</strong> Fall ist.<br />
Genauso wie von e<strong>in</strong>em Arzt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel <strong>an</strong>stelle des Wortes Ellenbogenbruch“ meist<br />
”<br />
” Olekr<strong>an</strong>onfraktur“ verwendet wird, k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> von Mathematikern mitunter ich habe genau<br />
”<br />
e<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong>“ hören. Während jedoch e<strong>in</strong> Mediz<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>ige Monate Zeit hat, se<strong>in</strong>e Sprache<br />
<strong>an</strong> <strong>das</strong> Berufsbild <strong>an</strong>zupassen, ist es <strong>für</strong> Mathematikstudenten notwendig, die grundlegenden<br />
Sprechweisen äußerst rasch zu erlernen. Ohne diese Fähigkeit gehen viel wesentliche<br />
Information und <strong>das</strong> Grundverständnis <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Aussagen verloren.<br />
Nachdem die Mathematik e<strong>in</strong> Gebiet ist, <strong>in</strong> dem es auf Exaktheit <strong>an</strong>kommt, ist die <strong>mathematische</strong><br />
Sprache Regeln unterworfen, die über jene h<strong>in</strong>ausgehen, die <strong>für</strong> Umg<strong>an</strong>gssprache<br />
(Hochsprache) und Literatur gelten.<br />
In dieser Vorlesung werden sprachliche Regeln durch grau h<strong>in</strong>terlegte Schrift hervorgehoben.<br />
Viele <strong>der</strong> hier zitierten Regeln s<strong>in</strong>d ebenso wie viele dazu gehörende Beispiele dem<br />
Buch [Beutelspacher 1999] entnommen.<br />
M<strong>an</strong> beachte, <strong>das</strong>s <strong>mathematische</strong> Sprache als Grundlage die Hochsprache bzw. die Literatur<br />
hat. Grundsätzlich k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> daher davon ausgehen, <strong>das</strong>s <strong>mathematische</strong> Texte<br />
zwar Gebrauchsliteratur aber immerh<strong>in</strong> Literatur s<strong>in</strong>d. Wenn Sie also die Lösungen von<br />
Übungsbeispielen, Sem<strong>in</strong>ar- o<strong>der</strong> Diplomarbeiten, gar Dissertationen verfassen, so halten<br />
sie wenigstens die folgenden literarischen Grundregeln zusätzlich zu den <strong>in</strong> dieser Vorlesung<br />
beh<strong>an</strong>delten <strong>mathematische</strong>n Konventionen e<strong>in</strong>.<br />
Schreiben Sie <strong>in</strong> vollständigen Sätzen und formulieren Sie überschaubar und<br />
klar: Bedenken Sie, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Satz zum<strong>in</strong>dest Subjekt und Prädikat enthalten sollte. L<strong>an</strong>ge,<br />
verschachtelte Sätze s<strong>in</strong>d schwer verständlich und lassen we<strong>der</strong> den Verfasser <strong>in</strong>telligenter<br />
wirken noch den Text glaubwürdiger werden.
1.1. HÜRDEN ZU STUDIENBEGINN 5<br />
Je<strong>der</strong> Satz, den Sie schreiben, muss (zum<strong>in</strong>dest <strong>für</strong> Sie) e<strong>in</strong>en S<strong>in</strong>n haben:<br />
Vermeiden Sie, durch übertriebene Symbolsetzung und logische Formalismen Ihre Aussagen<br />
so zu verschlüsseln, <strong>das</strong>s am Ende nicht e<strong>in</strong>mal Sie selbst auf Anhieb ihren Inhalt verstehen.<br />
Schließlich die wichtigste Regel: Brechen Sie ruhig alle <strong>in</strong> diesem Skriptum vorgestellten<br />
Regeln, wenn Sie sich durch sie e<strong>in</strong>geengt fühlen, und wenn Sie wissen, was Sie tun.<br />
1.1.3. Q.E.D.“ — Beweise. Seit Euklid im dritten Jahrhun<strong>der</strong>t vor Christus se<strong>in</strong>e<br />
”<br />
Elemente geschaffen hat, <strong>in</strong> <strong>der</strong> er die gesamte damals bek<strong>an</strong>nte Mathematik zusammengefasst<br />
hat, ist die logische Struktur, <strong>das</strong> Fundament <strong>der</strong> Mathematik, auf Beweisen errichtet.<br />
Auf diese Weise wird sichergestellt, <strong>das</strong>s <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Welt die gemachten<br />
Aussagen re<strong>in</strong> logisch nachgewiesen o<strong>der</strong> wi<strong>der</strong>legt werden können. Sie müssen nicht durch<br />
” Experimente“ o<strong>der</strong> Expertengutachten“ gestützt werden. Auch <strong>der</strong> <strong>in</strong> vielen Wissenschaften<br />
wohlbek<strong>an</strong>nte philosophische Kampf zwischen verschiedenen Schulen und Lehrme<strong>in</strong>un-<br />
”<br />
gen f<strong>in</strong>det <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik nicht statt, o<strong>der</strong> beschränkt sich zum<strong>in</strong>dest darauf, ob e<strong>in</strong><br />
bestimmtes Gebiet <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>t bzw. mo<strong>der</strong>n ist o<strong>der</strong> eben nicht.<br />
Das Beweisen ist <strong>für</strong> Studien<strong>an</strong>fänger ungewohnt, die aus <strong>der</strong> Schule gewöhnt s<strong>in</strong>d, die<br />
Aussagen ihres Lehrers aufzunehmen und die vorgestellten Methoden nachzuvollziehen. Es ist<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule unökonomisch, alle Aussagen des Lehrers zu h<strong>in</strong>terfragen. Auf <strong>der</strong> Universität<br />
wird dies <strong>an</strong><strong>der</strong>s. Grundsätzlich sollte m<strong>an</strong> sche<strong>in</strong>bar se<strong>in</strong> gesamtes Vorwissen h<strong>in</strong>ter sich<br />
lassen und sich von neuem von den bisher geglaubten Tatsachen überzeugen (lassen).<br />
E<strong>in</strong> großer Fehler von Studien<strong>an</strong>fängern besteht dar<strong>in</strong>, bei Übungsbeispielen von bis dah<strong>in</strong><br />
unbewiesenen Tatsachen auszugehen und Beispiele o<strong>der</strong> Beweise dadurch fälschlicherweise<br />
abzukürzen o<strong>der</strong> gar zu ver<strong>der</strong>ben. Darum<br />
Unterscheiden Sie im Rahmen e<strong>in</strong>es Beweises o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>er Übungsaufgabe<br />
immer genau zwischen den Resultaten, die sie verwenden<br />
dürfen und denen die Sie kennen, o<strong>der</strong> zu kennen glauben.<br />
Das sche<strong>in</strong>t nur auf den ersten Blick s<strong>in</strong>nlos. In Wahrheit wird damit e<strong>in</strong> zweifacher<br />
Zweck verfolgt. Zum e<strong>in</strong>en wird <strong>der</strong> Blick da<strong>für</strong> geschult, ke<strong>in</strong>e ”<br />
Lücken im <strong>mathematische</strong>n<br />
Gebäude“ zu h<strong>in</strong>terlassen. Oft ist <strong>das</strong> <strong>der</strong> S<strong>in</strong>n h<strong>in</strong>ter e<strong>in</strong>em sche<strong>in</strong>bar e<strong>in</strong>fachen Übungsbeispiel.<br />
Zum <strong>an</strong><strong>der</strong>en wird darauf vorbereitet, auch Beweise <strong>in</strong> <strong>mathematische</strong>n Strukturen zu<br />
f<strong>in</strong>den, die ärmer <strong>an</strong> Eigenschaften s<strong>in</strong>d und <strong>für</strong> die m<strong>an</strong>che Resultate nicht gelten.<br />
Zuletzt noch e<strong>in</strong>ige sprachliche H<strong>in</strong>weise:<br />
Stellen Sie ihre Beweise sorgfältig dar: Dadurch vermeiden Sie es, Lücken <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Kette logischer Schlüsse zu übersehen. Wesentlich bei <strong>der</strong> Erstellung von Beweisen ist e<strong>in</strong>e<br />
s<strong>in</strong>nvolle Glie<strong>der</strong>ung und s<strong>in</strong>nvolle Unterglie<strong>der</strong>ungen.<br />
Beachten Sie beim Beweisen zu Beg<strong>in</strong>n die folgenden Pr<strong>in</strong>zipien:<br />
Sagen Sie, was Sie beweisen: Außerdem sollten Sie <strong>an</strong> je<strong>der</strong> Stelle im Beweis sicherstellen,<br />
<strong>das</strong>s <strong>der</strong> Hörer o<strong>der</strong> Leser genau weiß, welche Teilbehauptung Sie gerade untersuchen.<br />
Folgen Sie dem folgenden Grundpr<strong>in</strong>zip:<br />
Sagen Sie immer, was Sie als nächstes vorhaben, führen Sie es<br />
durch, und sagen Sie d<strong>an</strong>ach, <strong>das</strong>s Sie es get<strong>an</strong> haben.<br />
Es empfiehlt sich auch, zu Beg<strong>in</strong>n die zu beweisende Aussage <strong>in</strong> <strong>mathematische</strong> Form zu<br />
übersetzen.<br />
Glie<strong>der</strong>n Sie ihren Beweis: Alle Beweise, die länger als etwa e<strong>in</strong>e halbe Seite s<strong>in</strong>d,<br />
sollten <strong>in</strong> Teilabschnitte unterteilt werden. Zerlegen Sie den Beweis <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Reihe von Teilbehauptungen<br />
o<strong>der</strong> Fälle. Kennzeichnen Sie diese mit E<strong>in</strong>schüben wie Schritt 1:, Schritt 2:,
6 1. EINLEITUNG<br />
bzw. Fall 1:, Fall 2:, etc. Achten Sie beson<strong>der</strong>s bei <strong>der</strong> Unterteilung <strong>in</strong> Fälle, <strong>das</strong>s Sie ke<strong>in</strong>en<br />
Fall vergessen. Führen Sie niemals Fälle e<strong>in</strong>, die nicht geson<strong>der</strong>t beh<strong>an</strong>delt werden müssen.<br />
Kennzeichnen Sie den Schluss e<strong>in</strong>es Beweises: Es ist äußerst ermüdend <strong>für</strong> e<strong>in</strong>en<br />
Leser, wenn er sich nie sicher se<strong>in</strong> k<strong>an</strong>n, wo e<strong>in</strong> Beweis beg<strong>in</strong>nt und wo er genau endet. Als<br />
Kennzeichen dienen m<strong>an</strong>chmal Phrasen wie<br />
• Damit ist alles gezeigt. o<strong>der</strong><br />
• . . . was wir behauptet hatten.<br />
und ähnliche Sätze. Das zw<strong>in</strong>gt den Leser dazu, den Beweis bis zum Ende zu lesen und<br />
erschwert es, sich e<strong>in</strong>en schnellen Überblick zu verschaffen, speziell wenn mehrere Resultate<br />
und Zwischentexte aufe<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> folgen. Übersichtlicher s<strong>in</strong>d die St<strong>an</strong>dardabkürzungen<br />
• w.z.z.w — was zu zeigen war — o<strong>der</strong> die late<strong>in</strong>ische Vari<strong>an</strong>te<br />
• Q.E.D. (auch q.e.d. o<strong>der</strong> qed.) — quod erat demonstr<strong>an</strong>dum.<br />
In mo<strong>der</strong>nen Büchern hat sich <strong>das</strong> ökonomische Beweisabschlusszeichen, <strong>das</strong> meist am Ende<br />
<strong>der</strong> letzten Beweiszeile steht,<br />
. . . □<br />
durchgesetzt.<br />
Achten Sie im Verlauf <strong>der</strong> Vorlesung auf die Struktur <strong>der</strong> vorgetragenen Beweise, nehmen<br />
Sie sie als Beispiele und achten Sie auf die grau h<strong>in</strong>terlegten Textstellen, mit denen typische<br />
Redewendungen und die Struktur hervorgehoben werden.<br />
1.2. Schulstoff<br />
Parallel zu dieser Vorlesung wird <strong>der</strong> gesamte AHS–Schulstoff mehr o<strong>der</strong> weniger vollständig<br />
im Rahmen dreier Workshops wie<strong>der</strong>holt. E<strong>in</strong> Großteil dieses Stoffes wird <strong>in</strong> nicht<br />
exakter Form vorgetragen. Die Darstellung orientiert sich am Lehrstoff, <strong>der</strong> <strong>für</strong> Realgymnasien<br />
vorgesehen ist.<br />
Die Wie<strong>der</strong>holung des Schulstoffes soll hauptsächlich dazu dienen, die Studenten auf<br />
vorh<strong>an</strong>dene Wissenslücken h<strong>in</strong>zuweisen und die grundlegenden algorithmischen Fertigkeiten<br />
zu Beg<strong>in</strong>n des Studiums nochmals darzustellen.<br />
Es sei je<strong>der</strong> Student dazu <strong>an</strong>gehalten, den Schulstoff erneut zu<br />
lernen, denn die vollständige Beherrschung <strong>der</strong> hier vermittelten<br />
Fakten und Fertigkeiten wird im gesamten folgenden Studium<br />
kommentarlos vorausgesetzt werden.<br />
Fehler, auch Rechenfehler, <strong>der</strong>en Grundlage <strong>der</strong> Schulstoff ist,<br />
s<strong>in</strong>d ke<strong>in</strong>e Kavaliersdelikte. Sie zählen bei Übungen und Prüfungen<br />
grundsätzlich als schwere Fehler und entwerten e<strong>in</strong> Beispiel<br />
vollständig.<br />
<strong>Arbeiten</strong> Sie also bei Prüfungen und Übungen sorgfältig und üben Sie den Schulstoff gut<br />
e<strong>in</strong>.<br />
E<strong>in</strong>ige abschreckende Beispiele aus Prüfungen <strong>der</strong> jüngeren Verg<strong>an</strong>genheit, die im Mathematikstudium<br />
nicht toleriert werden.<br />
• a + c = a+b.<br />
b d c+d<br />
• 3x+1 = x+1.<br />
3y+1 y+1<br />
• (e x ) ′ = x e x−1 bei Ableitung nach x.<br />
• ∫ 1<br />
0 ex dx = e.<br />
• Wenn m<strong>an</strong> mit zwei Würfeln wirft, d<strong>an</strong>n errechnet sich die Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit, <strong>das</strong>s<br />
dabei e<strong>in</strong>e 6 geworfen wird: 1 + 1 = 1.<br />
6 6 3<br />
• √ a + b = √ a + √ b.
• log ab = log a log b, log 0 = 0.<br />
1.3. AUFBAUSTOFF 7<br />
1.3. Aufbaustoff<br />
E<strong>in</strong>ige Teile des Schulstoffes und wenige darüber h<strong>in</strong>aus gehende Fakten werden <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Vorlesung selnst mit ”<br />
voller <strong>mathematische</strong>r Exaktheit“ vorgetragen. Sie bilden geme<strong>in</strong>same<br />
Grundlage <strong>der</strong> nachfolgenden Vorlesungen Analysis 1 und L<strong>in</strong>eare Algebra 1. Im Rahmen<br />
dieses Erweiterungsstoffes werden außerdem weitere Sprachregeln und Sprechweisen erklärt,<br />
sowie <strong>das</strong> Beweispr<strong>in</strong>zip illustriert.<br />
E<strong>in</strong>ige Teile des Erweiterungsstoffes s<strong>in</strong>d nicht Gegenst<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Prüfung und nur gedacht<br />
als H<strong>in</strong>weise und Informationen <strong>für</strong> die beson<strong>der</strong>s Interessierten. Die Teile des Skriptums,<br />
die gekennzeichnet s<strong>in</strong>d wie dieser Absatz, bilden diesen Zusatzstoff.
KAPITEL 2<br />
Grundlagen<br />
Bevor wir uns <strong>in</strong> die Tiefen <strong>der</strong> Mathematik stürzen, müssen wir als ersten Schritt e<strong>in</strong>iges<br />
<strong>an</strong> Grundlagenwissen <strong>an</strong>sammeln, e<strong>in</strong>fache Schreibweisen und Ideen, ohne die wir unser Ziel,<br />
<strong>das</strong> Wesen <strong>der</strong> ”<br />
höheren“ Mathematik zu erforschen, nicht erreichen können.<br />
2.1. Beweise<br />
Wie wir schon <strong>in</strong> <strong>der</strong> E<strong>in</strong>leitung (Kapitel 1) erwähnt haben, bilden Beweise die Grundlage<br />
des <strong>mathematische</strong>n Gebäudes. Während wir <strong>in</strong> den weiteren Abschnitten tiefer auf die Art<br />
und Weise e<strong>in</strong>gehen werden, wie Beweise aufgebaut und geführt werden, wollen wir zunächst<br />
mit e<strong>in</strong> paar e<strong>in</strong>fach verständlichen Beispielen beg<strong>in</strong>nen.<br />
Proposition 2.1.1. Das Quadrat e<strong>in</strong>er geraden Zahl ist gerade.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n sich die gesamte Mathematik denken als e<strong>in</strong>e Ansammlung von Aussagen, die<br />
aus gewissen Grundaussagen (den Axiomen) durch logische Schlussfolgerungen abgeleitet<br />
werden. Dieser Vorg<strong>an</strong>g heißt beweisen. Gilt e<strong>in</strong>e Aussage A als bewiesen, und k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong><br />
e<strong>in</strong>e weitere Aussage B logisch aus A ableiten, so gilt auch B als bewiesen.<br />
Die solcherart bewiesenen Aussagen nennt m<strong>an</strong> Sätze o<strong>der</strong> auch Theoreme. Üblich<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Literatur ist, zuerst die Aussage des Satzes aufzuschreiben und d<strong>an</strong>ach den Beweis<br />
<strong>an</strong>zuschließen, <strong>in</strong> dem die Aussage des Satzes aus bek<strong>an</strong>nten Resultaten hergeleitet wird.<br />
Mit diesem Pr<strong>in</strong>zip steht und fällt die Mathematik, dar<strong>an</strong> lässt sich nicht deuteln.<br />
Anstelle von Satz bzw. Theorem werden auch zuweilen <strong>an</strong><strong>der</strong>e Ausdrücke verwendet,<br />
die den Stellenwert <strong>der</strong> Aussagen untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> im Rahmen <strong>der</strong> Theorie <strong>an</strong>deuten. Ob und<br />
wie m<strong>an</strong> diese Begriffe verwendet, ist re<strong>in</strong>e Geschmackssache.<br />
Satz, Theorem: Dies ist <strong>das</strong> typische Resultat e<strong>in</strong>er Theorie.<br />
Hauptsatz: So wird e<strong>in</strong> beson<strong>der</strong>s wichtiger Satz <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Teilgebiet <strong>der</strong> Mathematik<br />
gen<strong>an</strong>nt. E<strong>in</strong> Beispiel ist etwa <strong>der</strong> Hauptsatz <strong>der</strong> Differential- und Integralrechnung,<br />
den Sie im Rahmen <strong>der</strong> Analysis Vorlesungen kennen lernen werden.<br />
Lemma: Dieses Wort stammt aus dem Griechischen (die Mehrzahl ist daher Lemmata)<br />
und bedeutet ”<br />
Stichwort“ o<strong>der</strong> ”<br />
Hauptged<strong>an</strong>ke“. Es wird <strong>in</strong> zwei verschiedenen<br />
Zusammenhängen verwendet. Zum e<strong>in</strong>en bezeichnet es e<strong>in</strong> kle<strong>in</strong>es, meist technisches<br />
Resultat, e<strong>in</strong>en Hilfssatz, <strong>der</strong> im Rahmen des Beweises e<strong>in</strong>es wichtigen Satzes verwendet<br />
wird aber selbst meist un<strong>in</strong>teress<strong>an</strong>t ist. Zum <strong>an</strong><strong>der</strong>en h<strong>an</strong>delt es sich dabei<br />
um beson<strong>der</strong>s wichtige Schlüsselged<strong>an</strong>ken, die <strong>in</strong> vielen Situationen nützlich s<strong>in</strong>d.<br />
Solche genialen Erkenntnisse tragen meist den Namen des Erf<strong>in</strong><strong>der</strong>s (Lemma von<br />
Zorn, Lemma von Urysohn,. . . ).<br />
Proposition: Dies ist die late<strong>in</strong>ische Bezeichnung <strong>für</strong> Satz und wird m<strong>an</strong>chmal <strong>an</strong><br />
dessen Stelle verwendet, meist aber um e<strong>in</strong> Resultat zu bezeichnen, dessen Wichtigkeit<br />
zwischen <strong>der</strong> e<strong>in</strong>es Hilfssatzes und <strong>der</strong> e<strong>in</strong>es Theorems liegt.<br />
Korollar, Folgerung: Dies ist e<strong>in</strong> Satz, <strong>der</strong> aus e<strong>in</strong>em <strong>an</strong><strong>der</strong>en Satz durch triviale<br />
o<strong>der</strong> sehr e<strong>in</strong>fache Schlussweise folgt. M<strong>an</strong>chmal ist es e<strong>in</strong> Spezialfall e<strong>in</strong>er bereits<br />
9
10 2. GRUNDLAGEN<br />
bewiesenen allgeme<strong>in</strong>eren Aussage. Das Wort Korollar stammt übrigens vom late<strong>in</strong>ischen<br />
Wort corollarium ab, welches e<strong>in</strong> Kränzchen bezeichnet, <strong>das</strong> <strong>der</strong> Gastgeber<br />
dem Gast ”<br />
e<strong>in</strong>fach so“ schenkt.<br />
Beweis. Sei n e<strong>in</strong>e beliebige gerade Zahl. Nachdem n durch 2 teilbar ist, existiert e<strong>in</strong>e<br />
g<strong>an</strong>ze Zahl m mit n = 2m.<br />
Wir können also nun <strong>das</strong> Quadrat von n durch m ausdrücken und erhalten n 2 = (2m) 2 =<br />
4m 2 . Natürlich ist 4m 2 durch 2 teilbar, und daher ist n 2 gerade.<br />
□<br />
In diesem Beweis haben wir die Voraussetzung (die ursprüngliche Zahl ist gerade) genommen,<br />
sie e<strong>in</strong> wenig umgeformt und daraus die Behauptung (ihr Quadrat ist gerade)<br />
hergeleitet. Beweise, die auf diese Art vorgehen, nennen wir direkte Beweise.<br />
Def<strong>in</strong>ition 2.1.2. E<strong>in</strong>e Primzahl ist e<strong>in</strong>e natürliche Zahl p > 1, die nur die trivialen<br />
Teiler besitzt, d.h. <strong>der</strong>en e<strong>in</strong>zige Teiler 1 und sie selbst s<strong>in</strong>d.<br />
Def<strong>in</strong>itionen dienen zur Vergabe von Namen. Sie s<strong>in</strong>d we<strong>der</strong> richtig noch falsch (außer<br />
bei <strong>der</strong> Reproduktion schon vorh<strong>an</strong>dener Def<strong>in</strong>itionen im Rahmen <strong>der</strong> Prüfung); sie können<br />
allerd<strong>in</strong>gs s<strong>in</strong>nvoll o<strong>der</strong> uns<strong>in</strong>nig se<strong>in</strong>.<br />
E<strong>in</strong>e Def<strong>in</strong>ition verän<strong>der</strong>t nicht <strong>das</strong> <strong>mathematische</strong> Gebäude, bloß die Sprache darüber<br />
wird um e<strong>in</strong> weiteres Vokabel ergänzt.<br />
Theorem 2.1.3. Es gibt unendlich viele Primzahlen.<br />
Beweis. Nehmen wir e<strong>in</strong>mal <strong>an</strong>, es gäbe nur endlich viele Primzahlen. Wenn <strong>das</strong> so ist,<br />
können wir sie mit p 1 , . . . , p n bezeichnen.<br />
Nun bilden wir m = p 1 p 2 . . . p n + 1. Die Zahl m ist verschieden von allen Primzahlen und<br />
muss daher durch e<strong>in</strong>e <strong>der</strong> Zahlen p i teilbar se<strong>in</strong>.<br />
Nun ist aber <strong>das</strong> Produkt p 1 . . . p n durch jede <strong>der</strong> endlich vielen Primzahlen p i teilbar, und<br />
daher muss auch 1 durch p i teilbar se<strong>in</strong>, damit m durch p i teilbar se<strong>in</strong> k<strong>an</strong>n. Dies ist jedoch<br />
offensichtlich nicht möglich, und so endet unsere logische Beweiskette <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Wi<strong>der</strong>spruch.<br />
Wir müssen also unsere oben getroffene Annahme verwerfen, und daher existieren tatsächlich<br />
unendlich viele Primzahlen.<br />
□<br />
In diesem Beweis s<strong>in</strong>d wir <strong>an</strong><strong>der</strong>s herum vorgeg<strong>an</strong>gen. Wir haben mit e<strong>in</strong>er Annahme<br />
begonnen, <strong>der</strong>en Aussage gerade <strong>das</strong> Gegenteil unserer Behauptung war. D<strong>an</strong>ach haben wir<br />
e<strong>in</strong>e logische Schlusskette bis zu e<strong>in</strong>em Wi<strong>der</strong>spruch verfolgt. Die Annahme konnte also nicht<br />
richtig gewesen se<strong>in</strong>, und daher musste zw<strong>an</strong>gsläufig ihr Gegenteil stimmen ( ”<br />
tertium non<br />
datur“), also unsere Behauptung wahr se<strong>in</strong>.<br />
Beweise dieser Struktur nennen wir <strong>in</strong>direkte Beweise.<br />
2.2. Indizes<br />
Im Beweis von Theorem 2.1.3 s<strong>in</strong>d Ausdrücke <strong>der</strong> Form p 1 , . . . , p n und p i vorgekommen.<br />
Die unter <strong>das</strong> p tiefer gestellten Zahlen und Buchstaben nennt m<strong>an</strong> Indizes.<br />
Indizes dienen dem Mathematiker dazu, mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> verw<strong>an</strong>dte Objekte weitgehend e<strong>in</strong>heitlich<br />
zu bezeichnen. Darum ke<strong>in</strong>e Angst vor Indizes. In vielen Fällen s<strong>in</strong>d sie e<strong>in</strong>facher<br />
und klarer als alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Darstellungsmöglichkeiten. Beson<strong>der</strong>s im Zusammenh<strong>an</strong>g mit<br />
Summen und Produkten (siehe Abschnitt 2.3) treten sie häufig auf.<br />
E<strong>in</strong>e wichtige Eigenschaft e<strong>in</strong>es Index ist, <strong>das</strong>s er verschiedene Werte <strong>an</strong>nehmen k<strong>an</strong>n,<br />
g<strong>an</strong>z wie e<strong>in</strong>e Variable. So k<strong>an</strong>n <strong>der</strong> Index i im Ausdruck p i im Beweis zu Theorem 2.1.3 als<br />
Wert alle natürlichen Zahlen von 1 bis n <strong>an</strong>nehmen.
2.3. SUMMEN, PRODUKTE — ZEICHEN 11<br />
Die E<strong>in</strong>zahl von Indizes ist übrigens Index und nicht Indiz, <strong>der</strong>en Mehrzahl lautet Indizien,<br />
und diese haben <strong>in</strong> Gerichtssälen nicht aber <strong>in</strong> Mathematiktexten Platz.<br />
Es ist z.B. offensichtlich, <strong>das</strong>s die Argumente <strong>der</strong> Funktion h im folgenden Beispiel allesamt<br />
Variable se<strong>in</strong> sollen, und <strong>das</strong>s h genau n Argumente benötigt.<br />
h(x 1 , . . . , x n )<br />
Vergleichen Sie <strong>das</strong> mit <strong>der</strong> viel unklareren Schreibweise<br />
h(x, y, . . . , z)<br />
Beson<strong>der</strong>s <strong>in</strong> <strong>der</strong> l<strong>in</strong>earen Algebra werden Indizes von Anf<strong>an</strong>g <strong>an</strong> auftreten. Auch Doppel-<br />
(A 12 , a kl , b i,j+1 ) und sogar Mehrfach<strong>in</strong>dizes (r 12345 , p ijkm , Y i,i+1,...,i+n ), ja selbst <strong>in</strong>dizierte<br />
Indizes (Y i1 ,...,i n<br />
) s<strong>in</strong>d möglich und s<strong>in</strong>nvoll. Folgen<strong>der</strong> Rat:<br />
Machen Sie sich immer klar, was welcher Index bedeutet. Falls Buchstaben<br />
als Index auftreten, behalten sie immer im Auge, welche Werte <strong>der</strong> Index<br />
<strong>an</strong>nehmen k<strong>an</strong>n.<br />
Beispiel 2.2.1. Wir ordnen die Zahlen 1, 2, . . . , 20 <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Matrix, also e<strong>in</strong>em rechteckigen<br />
Schema von Zahlen, wie folgt <strong>an</strong>. Dabei bezeichnen wir die Matrix mit A.<br />
⎛<br />
⎞<br />
1 2 3 4 5<br />
A = ⎜ 6 7 8 9 10<br />
⎟<br />
⎝11 12 13 14 15⎠<br />
16 17 18 19 20<br />
Mit Hilfe e<strong>in</strong>es Doppel<strong>in</strong>dex können wir die e<strong>in</strong>zelnen E<strong>in</strong>träge <strong>der</strong> Matrix bezeichnen. Wir<br />
haben z.B. A 23 = 8 und A 31 = 11. Wir können sogar die gesamte Matrix über ihre Elemente<br />
mit Hilfe <strong>der</strong> Indizes def<strong>in</strong>ieren, <strong>in</strong>dem wir schreiben<br />
A ij = 5i + j − 5, i = 1 . . . 4, j = 1 . . . 5.<br />
Bei Umformungen von Ausdrücken s<strong>in</strong>d Indizes ”<br />
<strong>in</strong> Schachteln verpackt“. Das bedeutet,<br />
<strong>das</strong>s m<strong>an</strong> sie nicht ”<br />
wegkürzen“ o<strong>der</strong> ähnliches k<strong>an</strong>n. Zur Illustration seien e<strong>in</strong>ige richtige<br />
und e<strong>in</strong>ige falsche Beispiele <strong>an</strong>gegeben.<br />
A i+1+3·5,j = A i+16,j<br />
f i − 1 ≠ f i−1<br />
B s B s = B 2 s ≠ B s 2<br />
B s<br />
s ≠ B<br />
2.3. Summen, Produkte — Zeichen<br />
In <strong>der</strong> Mathematik untersucht m<strong>an</strong> häufig Summen, <strong>in</strong> denen die Anzahl <strong>der</strong> Terme nicht<br />
a priori fest steht. So hat etwa e<strong>in</strong> allgeme<strong>in</strong>es Polynom n–ten Grades die Form<br />
p(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + · · · + a n x n<br />
mit n + 1 Termen, die aufsummiert werden. Um die Schreibweise von den Punkten (+ · · · +)<br />
zu befreien, verwendet m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e allgeme<strong>in</strong>ere Notation.<br />
Zeichen wie <strong>das</strong> Summen- und <strong>das</strong> Produktzeichen, werden also dazu e<strong>in</strong>geführt, um e<strong>in</strong>e<br />
vielfache Verknüpfung ähnlicher Ausdücke vere<strong>in</strong>facht darzustellen. So k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> mit Hilfe<br />
des Summenzeichens Σ <strong>das</strong> Polynom im oberen Beispiel schreiben als<br />
n∑<br />
p(x) = a i x i . (2.1)<br />
i=0
12 2. GRUNDLAGEN<br />
Genauer betrachtet besteht <strong>der</strong> allgeme<strong>in</strong>e Summenausdruck mit dem Summenzeichen aus<br />
vier verschiedenen Teilen.<br />
• Es gibt es e<strong>in</strong>e Laufvariable, den Summations<strong>in</strong>dex, <strong>in</strong> unserem Beispiel i.<br />
• Diese Variable nimmt alle g<strong>an</strong>zen Zahlen beg<strong>in</strong>nend mit <strong>der</strong> unteren Grenze, im<br />
Beispiel 0,<br />
• bis zur oberen Grenze, <strong>in</strong> Gleichung (2.1) ist sie n, <strong>in</strong> E<strong>in</strong>serschritten <strong>an</strong>.<br />
• Der Gesamtausdruck entspricht d<strong>an</strong>n e<strong>in</strong>er Summe von Termen, die aussehen wie<br />
<strong>der</strong> allgeme<strong>in</strong>e Summ<strong>an</strong>d, hier a i x i , <strong>in</strong> dem <strong>der</strong> Summations<strong>in</strong>dex jeweils durch<br />
alle Werte ersetzt wird. In <strong>der</strong> dadurch gebildeten Summe kommt <strong>der</strong> Summations<strong>in</strong>dex<br />
also nicht mehr vor!<br />
Betrachtet m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Summe, so k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sofort erkennen, aus wievielen Teilen die Summe<br />
besteht<br />
Anzahl <strong>der</strong> Summ<strong>an</strong>den = obere Grenze − untere Grenze + 1.<br />
Dies ist auch <strong>der</strong> erste Schritt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Analyse e<strong>in</strong>es allgeme<strong>in</strong>en Summenausdrucks.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n <strong>das</strong> Summenzeichen dazu verwenden, die Verknüpfung e<strong>in</strong>er bestimmten Anzahl<br />
von Ausdrücken darzustellen. E<strong>in</strong> e<strong>in</strong>faches Beispiel dazu ist<br />
4∑ 1<br />
i + 1 = 1<br />
1 + 1 + 1<br />
2 + 1 + 1<br />
3 + 1 + 1<br />
4 + 1<br />
i=1<br />
Die wahre Stärke besteht allerd<strong>in</strong>gs, wie erwähnt, dar<strong>in</strong>, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e unbestimmte Anzahl<br />
von Termen summieren k<strong>an</strong>n:<br />
n∑<br />
a i = a 1 + a 2 + · · · + a n<br />
i=1<br />
In <strong>der</strong> Analysis wird gezeigt werden, <strong>das</strong>s selbst die Unendlichkeit hier ke<strong>in</strong>e Grenze bildet!<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n zum Beispiel e<strong>in</strong>e unendliche Reihe (hier <strong>an</strong> e<strong>in</strong>em Beispiel) bilden, und<br />
schreiben:<br />
∞∑ 1<br />
i = 1 1 + 1 2 + 1 3 + · · ·<br />
i=1<br />
Den tieferen <strong>mathematische</strong>n S<strong>in</strong>n dieses Ausdrucks wollen wir <strong>an</strong> dieser Stelle allerd<strong>in</strong>gs<br />
nicht untersuchen.<br />
Die Laufvariable k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> den jeweiligen Bedürfnissen des Problems <strong>an</strong>passen. M<strong>an</strong><br />
k<strong>an</strong>n sie beliebig umbenennen und sogar weitere Tr<strong>an</strong>sformationen durchführen (ähnlich <strong>der</strong><br />
Substitutionsregel <strong>für</strong> Integrale), wenn m<strong>an</strong> dabei beachtet, <strong>das</strong>s sich <strong>das</strong> Ergebnis nicht<br />
än<strong>der</strong>t. So k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> etwa e<strong>in</strong>e Indexverschiebung durchführen: Setze zum Beispiel i =<br />
j + 2 so gilt:<br />
9∑ 7∑<br />
a i =<br />
i=3<br />
j=1<br />
a j+2<br />
Wir haben dabei die neuen Grenzen <strong>für</strong> j durch E<strong>in</strong>setzen berechnet<br />
untere Grenze: 3 = j + 2 =⇒ j = 1<br />
obere Grenze: 9 = j + 2 =⇒ j = 7<br />
und im allgeme<strong>in</strong>en Summ<strong>an</strong>den jeweils die i durch j + 2 ersetzt.<br />
Nach Def<strong>in</strong>ition ist übrigens <strong>das</strong> Ergebnis e<strong>in</strong>er allgeme<strong>in</strong>en Summe gleich 0, falls die<br />
untere Grenze größer als die obere Grenze ist.<br />
Es treten <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik natürlich nicht nur Summen variieren<strong>der</strong> Länge auf, auch<br />
<strong>für</strong> <strong>an</strong><strong>der</strong>e Operationen, etwa Produkte, benötigt m<strong>an</strong> e<strong>in</strong> ähnliches Pr<strong>in</strong>zip, und daher hat<br />
m<strong>an</strong> viele dem Summenzeichen entsprechende Zeichen e<strong>in</strong>geführt. So gibt es etwa <strong>das</strong> bereits
2.3. SUMMEN, PRODUKTE — ZEICHEN 13<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Analysis wichtige Produktzeichen ( ∏ ) und noch weitere, etwa ⋃ , ⋂ , ⊙ , ⊕ , usw.,<br />
die <strong>in</strong> <strong>an</strong><strong>der</strong>en Bereichen <strong>der</strong> Mathematik e<strong>in</strong>e große Rolle spielen.<br />
Die Anwendung dieser Zeichen folgt demselben Schema wie die des Summenzeichens. So<br />
ist etwa<br />
5∏<br />
b i = b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 ,<br />
i=1<br />
0∏<br />
x i = 1,<br />
i=1<br />
Das leere Produkt“ (obere Grenze ist kle<strong>in</strong>er als untere Grenze) wird also als 1 festgelegt.<br />
”<br />
Oft lassen sich Teile <strong>der</strong> verknüpften Ausdrücke vor <strong>das</strong> Verknüpfungszeichen ziehen,<br />
wobei m<strong>an</strong> stets darauf achten muss, <strong>das</strong>s dies nach den Rechenregeln <strong>für</strong> die jeweilige<br />
Operation geschieht. Beim Summenzeichen verwendet m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Herausheben:<br />
n∑<br />
n∑<br />
7x i = 7 x i .<br />
Achtung: M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n nur Konst<strong>an</strong>te herausheben! Also nicht:<br />
n∑<br />
n∑<br />
ix i ≠ i x i .<br />
i=1<br />
i=1<br />
Beim Produktzeichen muss m<strong>an</strong> beachten, <strong>das</strong>s solche Konst<strong>an</strong>ten ja multipliziert werten!<br />
Daher:<br />
n∏ ∏ n<br />
7x i = 7 n x i .<br />
i=1<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n <strong>das</strong> Produktzeichen auch verwenden um <strong>Fakultät</strong>en <strong>an</strong>zuschreiben:<br />
n∏<br />
n! = i ∀n ≥ 0.<br />
Def<strong>in</strong>ition 2.3.1. Die <strong>Fakultät</strong> ist rekursiv def<strong>in</strong>iert durch:<br />
i=1<br />
0! := 1<br />
i=1<br />
i=1<br />
i=1<br />
(n + 1)! := n!(n + 1)<br />
Dieser Ausdruck wird beson<strong>der</strong>s <strong>für</strong> komb<strong>in</strong>atorische Probleme benötigt. So gibt n! die<br />
Anzahl <strong>der</strong> Möglichkeiten <strong>an</strong>, n verschiedene D<strong>in</strong>ge h<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> aufzureihen.<br />
E<strong>in</strong>e wesentliche Vere<strong>in</strong>fachung ist bei Summ<strong>an</strong>den spezieller Gestalt möglich, namlich<br />
<strong>für</strong> sogen<strong>an</strong>nte Teleskopsummen:<br />
n∑<br />
(a i − a i−1 ) = a 1 − a 0 + a 2 − a 1 + a 3 − a 2 + · · · + a n−1 − a n−2 + a n − a n−1 = a n − a 0<br />
i=1<br />
Analog ergeben sich Teleskopprodukte:<br />
n∏ a i<br />
= a n<br />
a i−1 a 0<br />
i=1<br />
Zum Abschluss noch e<strong>in</strong>e weitere Verwendung des Summenzeichens (auch dies gilt natürlich<br />
ebenso <strong>für</strong> die verw<strong>an</strong>dten Zeichen). Wir können etwa schreiben<br />
∑<br />
a i .<br />
i∈I
14 2. GRUNDLAGEN<br />
In diesem Fall nimmt <strong>der</strong> Index i den Wert jedes Elements <strong>in</strong> <strong>der</strong> Menge I, <strong>der</strong> Indexmenge,<br />
<strong>an</strong>. Beson<strong>der</strong>s praktisch ist diese Notation, wenn etwa die Indizes unregelmäßig verteilt s<strong>in</strong>d<br />
o<strong>der</strong> wenn die Menge <strong>der</strong> g<strong>an</strong>zen Zahlen nicht ausreicht, um alle a i abzudecken.<br />
Zum Abschluss möchte ich noch e<strong>in</strong>e Notation vorstellen, die über <strong>das</strong> bisher beh<strong>an</strong>delte<br />
h<strong>in</strong>aus geht. Der Ausdruck<br />
∑<br />
i∈I<br />
def<strong>in</strong>iert e<strong>in</strong>e Summe, die <strong>für</strong> jedes Element <strong>der</strong> Menge I e<strong>in</strong>en Term enthält. Ähnlich wie<br />
zuvor wird im allgeme<strong>in</strong>en Summ<strong>an</strong>den die Laufvariable i jeweils durch <strong>das</strong> ausgewählte<br />
Element ersetzt. Diese Notation hat vor allem zwei Vorteile. Zum e<strong>in</strong>en können auch ”<br />
unregelmäßige“<br />
Indexmengen verwendet werden, und zum <strong>an</strong><strong>der</strong>en bleibt die Anzahl <strong>der</strong> Indices<br />
nicht auf endlich (o<strong>der</strong> abzählbar) viele beschränkt.<br />
Beispiel 2.3.2. Es gilt<br />
∑<br />
i∈{1,4,7,21}<br />
a i<br />
a 2 i = a 2 1 + a 2 4 + a 2 7 + a 2 21.<br />
2.4. Gleichungsumformungen <strong>in</strong> Beweisen — Stil und Fallen<br />
2.4.1. Elementare Umformungen. Zunächst zur Schreib- und Sprechweise:<br />
Wenn m<strong>an</strong> Ketten von Gleichungen untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> schreibt, so bedeutet <strong>das</strong>, <strong>das</strong>s die<br />
untere Gleichung aus <strong>der</strong> oberen folgt. Das bedeutet: Wenn die obere Gleichung gilt, d<strong>an</strong>n<br />
gilt auch die untere.<br />
Beispiel 2.4.1. Betrachten wir die Ableitung<br />
3r 2 + 4r + 5 = −r 3 + r + 4 | + r 3 − r − 4<br />
r 3 + 3r 2 + 3r + 1 = 0<br />
(r + 1) 3 = 0 | √<br />
3<br />
r + 1 = 0 | − 1<br />
r = −1<br />
Sie ist, wie <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik üblich, von oben nach unten gültig. Das bedeutet, wenn wir<br />
Folgerungspfeile e<strong>in</strong>führen, können wir die Implikationen hervorheben<br />
3r 2 + 4r + 5 = −r 3 + r + 4 | + r 3 − r − 4 =⇒<br />
r 3 + 3r 2 + 3r + 1 = 0 =⇒<br />
(r + 1) 3 = 0 | √ 3 =⇒<br />
r + 1 = 0 | − 1 =⇒<br />
r = −1<br />
und wenn wir alle Zwischenschritte weglassen, ergibt sich <strong>der</strong> logische Schluss<br />
3r 2 + 4r + 5 = −r 3 + r + 4 =⇒ r = −1.<br />
Wenn m<strong>an</strong> Umformungen durchführt, bei denen m<strong>an</strong> ausdrücken möchte, <strong>das</strong>s sie <strong>in</strong><br />
beide Richtungen stimmen, so muss m<strong>an</strong> <strong>das</strong> durch explizites Setzen von Äquivalenzpfeilen<br />
(⇔) <strong>an</strong>zeigen.<br />
Beispiel 2.4.2. In Beispiel 2.4.1 folgen <strong>in</strong> Wahrheit die oberen Gleichungen auch aus<br />
den unteren, d.h. sie s<strong>in</strong>d wirklich alle äquivalent. Um <strong>das</strong> zu unterstreichen, wollen wir
daher<br />
schreiben.<br />
2.4. GLEICHUNGSUMFORMUNGEN IN BEWEISEN — STIL UND FALLEN 15<br />
3r 2 + 4r + 5 = −r 3 + r + 4 | + r 3 − r − 4 ⇐⇒<br />
r 3 + 3r 2 + 3r + 1 = 0 ⇐⇒<br />
(r + 1) 3 = 0 | √ 3 ⇐⇒<br />
r + 1 = 0 | − 1 ⇐⇒<br />
r = −1<br />
Auch bei Schlüssen von unten nach oben <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Umformung müsste m<strong>an</strong> die Implikationsrichtung<br />
durch Setzes des entsprechenden Pfeils (⇐=) <strong>an</strong>geben. Schlüsse von unten<br />
nach oben gelten nicht als guter <strong>mathematische</strong>r Stil und sollten daher unbed<strong>in</strong>gt<br />
vermieden werden. Machen Sie sich daher immer klar, womit e<strong>in</strong>e Umformung beg<strong>in</strong>nt<br />
und was Sie abzuleiten gedenken. Wenn Sie die Rechnung vom Ergebnis zum Ausg<strong>an</strong>gspunkt<br />
h<strong>in</strong> durchführen, so kehren sie die Schlussweise <strong>in</strong> <strong>der</strong> Re<strong>in</strong>schrift um!<br />
Welche Umformungen s<strong>in</strong>d eigentlich erlaubt? M<strong>an</strong> darf auf beiden Seiten <strong>das</strong>selbe addieren<br />
(subtrahieren). M<strong>an</strong> darf auch beide Seiten mit demselben multiplizieren; Wie steht es mit<br />
<strong>der</strong> Division?<br />
Theorem 2.4.3 (S<strong>in</strong>nlosigkeit <strong>der</strong> Zahlen). Alle Zahlen s<strong>in</strong>d gleich.<br />
Beweis. O.B.d.A. werden wir den Spezialfall 1 = 2 beweisen. Wir werden nur elementare<br />
Umformungen benutzen. Wir beg<strong>in</strong>nen mit reellen Zahlen a und b mit a = b.<br />
Die Abkürzung O.B.d.A. steht <strong>für</strong> ohne Beschränkung <strong>der</strong> Allgeme<strong>in</strong>heit. Korrekt verwendet<br />
m<strong>an</strong> sie zu Beg<strong>in</strong>n e<strong>in</strong>es Beweises o<strong>der</strong> Beweisteils. Damit wird <strong>der</strong> Leser auf zwei<br />
D<strong>in</strong>ge aufmerksam gemacht. E<strong>in</strong>erseits soll nur e<strong>in</strong> Teil <strong>der</strong> Aussage bewiesen werden, und<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>erseits ist <strong>der</strong> Autor des Beweises <strong>der</strong> Me<strong>in</strong>ung, <strong>das</strong>s die Gesamtaussage e<strong>in</strong>fach aus<br />
dem Bewiesenen folgt. Es steckt also h<strong>in</strong>ter o.B.d.A. e<strong>in</strong> weiterer <strong>mathematische</strong>r Satz ( ”<br />
aus<br />
dem tatsächlich Bewiesenen folgt die Aussage des Satzes“), und o.B.d.A. bedeutet d<strong>an</strong>n,<br />
<strong>das</strong>s diese Implikation nach Me<strong>in</strong>ung des Autors trivial, also beson<strong>der</strong>s e<strong>in</strong>fach herzuleiten<br />
ist.<br />
Zusätzlich zur Beschränkung auf e<strong>in</strong>en Son<strong>der</strong>fall, aus dem schon die gesamte Aussage<br />
folgt, k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> O.B.d.A. auch noch zur Vere<strong>in</strong>fachung <strong>der</strong> Bezeichnung o<strong>der</strong> zum Ausschließen<br />
trivialer Son<strong>der</strong>fälle verwenden. Beispiele zu diesen Verwendungen werden Sie <strong>in</strong><br />
späteren Beweisen f<strong>in</strong>den.<br />
a = b<br />
a 2 = ab nach Multiplikation mit a<br />
a 2 + a 2 = a 2 + ab nach Addition von a 2<br />
2a 2 = a 2 + ab<br />
2a 2 − 2ab = a 2 + ab − 2ab nach Subtraktion von 2ab<br />
2a 2 − 2ab = a 2 − ab<br />
2(a 2 − ab) = 1(a 2 − ab)<br />
2 = 1 nach Division durch a 2 − ab,<br />
woraus unsere Behauptung folgt.<br />
□<br />
Natürlich haben wir <strong>in</strong> diesem Beweis e<strong>in</strong>en Fehler gemacht. Können Sie ihn entdecken?<br />
An diesem Beispiel sieht m<strong>an</strong> schön die kle<strong>in</strong>e Falle, <strong>in</strong> die m<strong>an</strong> tappen k<strong>an</strong>n bei Verwendung<br />
<strong>der</strong> Division als Äquivalenzumformung. M<strong>an</strong> muss sich immer überzeugen, <strong>das</strong>s<br />
m<strong>an</strong> nicht durch 0 dividiert wie im obigen Beweis, und 0 k<strong>an</strong>n sich h<strong>in</strong>ter komplizierten<br />
Ausdrücken verbergen.
16 2. GRUNDLAGEN<br />
2.4.2. Anwendung von Funktionen. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n nicht nur auf beiden Seiten <strong>der</strong> Gleichung<br />
elementare arithmetische Operationen ausführen, son<strong>der</strong>n m<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n auch versuchen,<br />
geeignete Funktionen <strong>an</strong>zuwenden um zu vere<strong>in</strong>fachen. Beson<strong>der</strong>s beliebt s<strong>in</strong>d Umkehrfunktionen<br />
von Funktionen, die auf beiden Seiten <strong>der</strong> Gleichung auftauchen.<br />
E<strong>in</strong> e<strong>in</strong>faches Beispiel bietet die nächste Umformungskette, <strong>in</strong> <strong>der</strong> wir im ersten Schritt<br />
die Umkehrfunktion log <strong>der</strong> Exponentialfunktion <strong>an</strong>gewendet haben.<br />
e 3x+4 = e x−2<br />
3x + 4 = x − 2<br />
2x = −6<br />
x = −3<br />
| log<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik wird <strong>der</strong> natürliche Logarithmus üblicherweise mit log und nicht mit ln<br />
bezeichnet.<br />
Theorem 2.4.4 (S<strong>in</strong>nlosigkeit <strong>der</strong> Zahlen — 2. Versuch). Alle Zahlen s<strong>in</strong>d gleich.<br />
Beweis. O.B.d.A werden wir den Spezialfall 4 = 5 beweisen:<br />
−20 = −20<br />
16 − 36 = 25 − 45<br />
16 − 36 + 81 = 25 − 45 + 81 4 4<br />
4 2 − 2 · 4 · 9 + ( )<br />
9 2<br />
2 2 = 5 2 − 2 · 5 · 9 + ( )<br />
9 2<br />
2 2<br />
( )<br />
4 −<br />
9 2 ( )<br />
2 = 5 −<br />
9 2<br />
weil (a − b) 2 = a 2 − 2ab + b 2<br />
2<br />
4 − 9 = 5 − 9 2 2<br />
4 = 5,<br />
womit die S<strong>in</strong>nlosigkeit des Zahlbegriffes erwiesen ist.<br />
□<br />
Offensichtlich steckt <strong>in</strong> diesem Beweis e<strong>in</strong> Fehler, denn die Ungültigkeit des Satzes steht<br />
wohl außer Zweifel. Können Sie den Fehler entdecken?<br />
Die falsche Umformung steht <strong>in</strong> <strong>der</strong> vorletzten Zeile: Das Ziehen <strong>der</strong> Quadratwurzel ist<br />
ke<strong>in</strong>e Äquivalenzumformung! Möchte m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Gleichung durch Wurzel Ziehen umformen,<br />
so muss m<strong>an</strong> sich zuvor überzeugen, <strong>das</strong>s die Vorzeichen auf beiden Seiten übere<strong>in</strong> stimmen.<br />
Dies ist im obigen Beispiel nicht <strong>der</strong> Fall, und daher hätten wir schreiben müssen<br />
( )<br />
4 −<br />
9 2 (<br />
2 = 5 −<br />
9 2<br />
2)<br />
⇐=<br />
4 − 9 = 5 − 9.<br />
2 2<br />
Allgeme<strong>in</strong> muss m<strong>an</strong> bei <strong>der</strong> Anwendung von Umkehrfunktionen f −1 darauf achten, <strong>das</strong>s<br />
die Funktion f, die m<strong>an</strong> ”<br />
entfernen“ möchte, <strong>in</strong>jektiv ist, auf den Def<strong>in</strong>itionsbereichen bei<strong>der</strong><br />
Seiten <strong>der</strong> Gleichung.<br />
Beispiel 2.4.5. Normalerweise ist <strong>das</strong> Quadratwurzel Ziehen nicht erlaubt, weil die<br />
Funktion f(x) = x 2 +<br />
nicht <strong>in</strong>jektiv ist als £ Abbildung £ f : → 0 . Schränken wir aber f<br />
+ +<br />
£<br />
auf e<strong>in</strong>e £<br />
Abbildung 0 → 0 e<strong>in</strong>, d<strong>an</strong>n ist f <strong>in</strong>jektiv, und wir können gefahrlos Wurzel<br />
ziehen.
2.5. VOLLSTÄNDIGE INDUKTION 17<br />
Sei x ≥ 0, und seien a, b ∈ £<br />
. D<strong>an</strong>n gilt<br />
4x 2 = (a 2 + b 2 ) 2<br />
2x = a 2 + b 2<br />
x = 1 2 (a2 + b 2 ),<br />
und diese Umformung ist richtig, da wir schon wissen, <strong>das</strong>s x ≥ 0 und a 2 + b 2 ≥ 0 gelten.<br />
Ist die Anwendung <strong>der</strong> Umkehrfunktion zw<strong>in</strong>gend nötig, um e<strong>in</strong>e Rechnung fortsetzen zu<br />
können, so muss m<strong>an</strong> bei Mehrdeutigkeit Fallunterscheidungen durchführen.<br />
Um wie<strong>der</strong> zum Beispiel Quadratwurzel“ zurückzukehren, sehen wir uns <strong>an</strong>, wie <strong>der</strong><br />
”<br />
vorletzte Umformungsschritt im falschen Beweis von Theorem 2.4.4 richtigerweise geführt<br />
hätte werden müssen.<br />
(<br />
4 −<br />
9<br />
2<br />
1. Fall: Vorzeichen +:<br />
) 2 ( )<br />
= 5 −<br />
9 2<br />
2<br />
4 − 9 = ±(5 − 9)<br />
2 2<br />
4 − 9 = 5 − 9 2 2<br />
− 1 = 1 ist offensichtlich falsch<br />
2 2<br />
2. Fall: Vorzeichen −:<br />
4 − 9 = −( )<br />
5 − 9 2 2<br />
− 1 = − 1 was stimmt.<br />
2 2<br />
Der 1. Fall führt offensichtlich zu e<strong>in</strong>em uns<strong>in</strong>nigen Ergebnis und muss daher verworfen<br />
werden. Der 2. Fall h<strong>in</strong>gegen liefert <strong>das</strong> richtige Resultat.<br />
2.5. Vollständige Induktion<br />
Wir haben im Abschnitt 2.1 bereits die beiden grundlegenden Beweispr<strong>in</strong>zipien, den<br />
direkten und den <strong>in</strong>direkten Beweis kennengelernt.<br />
Die erste Beweisidee, die wir kennenlernen wollen, benötigt m<strong>an</strong> oftmals, wenn m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e<br />
Behauptung <strong>für</strong> alle natürlichen Zahlen beweisen möchte.<br />
Beispiel 2.5.1. Betrachten wir die folgende Reihe von Ausdrücken.<br />
1 = 1 = 1 2<br />
1 + 3 = 4 = 2 2<br />
1 + 3 + 5 = 9 = 3 2<br />
1 + 3 + 5 + 7 = 16 = 4 2<br />
1 + 3 + 5 + 7 + 9 = 25 = 5 2<br />
Nach e<strong>in</strong>em ”<br />
Intelligenztest“ f<strong>in</strong>den wir also heraus, <strong>das</strong>s die Summe <strong>der</strong> ersten n ungeraden<br />
Zahlen genau <strong>das</strong> Quadrat von n ergibt.<br />
Nun, besser gesagt hätten wir behaupten sollen, <strong>das</strong>s wir vermuten, <strong>das</strong>s dem so ist.<br />
Die ersten fünf Testbeispiele zu überprüfen ist natürlich nicht genug, um daraus schon auf<br />
die allgeme<strong>in</strong>e Aussage schließen zu können, ja nicht e<strong>in</strong>mal <strong>das</strong> Überprüfen <strong>der</strong> ersten 10<br />
Millionen Fälle würde genügen.<br />
Was wir benötigen, ist e<strong>in</strong>e Technik, um mit e<strong>in</strong>em Schlag <strong>das</strong> Resultat <strong>für</strong><br />
alle unendlich vielen natürlichen Zahlen auf e<strong>in</strong>mal zu beweisen.
18 2. GRUNDLAGEN<br />
Machen wir e<strong>in</strong>en Zwischenausflug <strong>in</strong>s tägliche Leben: Welche Hilfsmittel würden Sie<br />
verwenden, um e<strong>in</strong> Dach zu erklimmen? Wahrsche<strong>in</strong>lich e<strong>in</strong>e Leiter. Ist es zum Erklimmen<br />
e<strong>in</strong>er Leiter wichtig, <strong>der</strong>en Höhe zu kennen? Ne<strong>in</strong>. Das Wissen um die Technik des Leiterkletterns<br />
genügt (abgesehen von Höhen<strong>an</strong>gst und e<strong>in</strong>geschränkter Kondition — <strong>das</strong> wollen<br />
wir wegabstrahieren).<br />
Was müssen wir wissen, um die Technik des Leiterkletterns zu erlernen. Erstaunlicherweise<br />
nur zwei D<strong>in</strong>ge:<br />
(1) Wie komme ich auf die unterste Leitersprosse? (Leiter<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g)<br />
(2) Wie komme ich von e<strong>in</strong>er Leitersprosse auf die nächst höhere Sprosse? (Leiterschritt)<br />
F<strong>in</strong>den Sie e<strong>in</strong>e Antwort auf diese beiden Fragen, und ke<strong>in</strong> Dach wird vor Ihnen sicher se<strong>in</strong><br />
(sofern Sie e<strong>in</strong>e Leiter auftreiben können, die l<strong>an</strong>g genug ist).<br />
Wenn wir nun den Gipfel <strong>der</strong> Erkenntnis über natürliche Zahlen erklimmen wollen, so gehen<br />
wir g<strong>an</strong>z ähnlich vor. Die <strong>mathematische</strong> Version des Leiterkletterns heißt vollständige<br />
Induktion.<br />
Um sie korrekt durchzuführen müssen wir g<strong>an</strong>z <strong>an</strong>alog zum Leiter<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g erst e<strong>in</strong>e Grundlage,<br />
e<strong>in</strong>en Anf<strong>an</strong>g <strong>für</strong> unsere Behauptung f<strong>in</strong>den. Meist werden wir also unsere <strong>für</strong> alle<br />
natürlichen Zahlen zu beweisende Behauptung erst e<strong>in</strong>mal <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>fachen Fall überprüfen.<br />
Üblicherweise ist <strong>das</strong> <strong>der</strong> Fall <strong>für</strong> n = 0 o<strong>der</strong> n = 1 aber jede <strong>an</strong><strong>der</strong>e natürliche Zahl<br />
k<strong>an</strong>n ebenfalls als Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g dienen.<br />
D<strong>an</strong>ach müssen wir e<strong>in</strong>e Methode f<strong>in</strong>den, den Leiterschritt zu imitieren. Für so e<strong>in</strong>en<br />
Schritt gehen wir davon aus, <strong>das</strong>s wir uns bereits auf e<strong>in</strong>er Leitersprosse bef<strong>in</strong>den, wir also<br />
die Aussage schon bewiesen haben <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e bestimmte natürliche Zahl n. Das nennt m<strong>an</strong><br />
die Induktions<strong>an</strong>nahme o<strong>der</strong> Induktionsbehauptung. Von dieser Sprosse ausgehend<br />
müssen wir nun e<strong>in</strong>e Methode f<strong>in</strong>den, die nächst höhere Sprosse zu erklimmen. Im Falle <strong>der</strong><br />
Leiter ist <strong>das</strong> e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>facher Schritt, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik ist dazu e<strong>in</strong> Beweis von Nöten. In<br />
diesem Induktionsschritt leitet m<strong>an</strong> logisch aus <strong>der</strong> Behauptung <strong>für</strong> n die Aussage <strong>für</strong> die<br />
Zahl n + 1 (die nächste Sprosse) her.<br />
Hat m<strong>an</strong> <strong>das</strong> geschafft, ist <strong>der</strong> Induktionsbeweis beendet, und m<strong>an</strong> hat tatsächlich die<br />
Behauptung <strong>für</strong> alle natürlichen Zahlen bewiesen.<br />
Warum ist <strong>das</strong> so? Für jede natürliche Zahl können wir die ”<br />
Induktionsleiter“ so l<strong>an</strong>ge<br />
h<strong>in</strong>aufklettern bis die Behauptung auch <strong>für</strong> diese Zahl bewiesen ist — die Höhe des Daches<br />
ist nicht wichtig, so l<strong>an</strong>ge wir nur die Technik des Kletterns beherrschen.<br />
Verwenden wir also nun unsere neue Technik, um die Behauptung über die Summe ungera<strong>der</strong><br />
Zahlen aus Beispiel 2.5.1 zu beweisen.<br />
Proposition 2.5.2. Es gilt<br />
n∑<br />
2k − 1 = n 2<br />
k=1<br />
Beweis. Wir beweisen die Aussage mit vollständiger Induktion.<br />
Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g: Es gilt 1 = 1 2 . (Wie gesagt, <strong>der</strong> Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g ist meist leicht.)<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme: Es sei die Behauptung <strong>für</strong> n bereits bewiesen, also<br />
n∑<br />
2k − 1 = n 2 .<br />
k=1<br />
Induktionsschritt: Wir müssen nun die Behauptung <strong>für</strong> n + 1 zeigen, also<br />
∑n+1<br />
2k − 1 = (n + 1) 2<br />
k=1
eweisen. Beg<strong>in</strong>nen wir den Beweis mit <strong>der</strong> l<strong>in</strong>ken Seite<br />
2.5. VOLLSTÄNDIGE INDUKTION 19<br />
∑n+1<br />
2k − 1 =<br />
k=1<br />
n∑<br />
(2k − 1) + 2n + 1.<br />
k=1<br />
Für diese Umformung haben wir e<strong>in</strong>fach die Def<strong>in</strong>ition des Summensymbols Σ verwendet und<br />
den letzten Term explizit aufgeschrieben. Durch diesen Trick (e<strong>in</strong> St<strong>an</strong>dardtrick <strong>in</strong> Induktionsbeweisen)<br />
haben wir auf <strong>der</strong> rechten Seite e<strong>in</strong>en Term (den Summenausdruck) erzeugt,<br />
<strong>der</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Induktions<strong>an</strong>nahme vorkommt. Wir können also die Induktions<strong>an</strong>nahme e<strong>in</strong>setzen<br />
und erhalten<br />
n∑<br />
2k − 1 + 2n + 1 = n 2 + 2n + 1.<br />
k=1<br />
Die rechte Seite ist e<strong>in</strong> vollständiges Quadrat, und daher können wir fertig umformen<br />
n 2 + 2n + 1 = (n + 1) 2 ,<br />
und wir haben den Induktionsschritt beendet.<br />
Damit ist alles bewiesen — <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Schritt <strong>für</strong> unendlich viele, ja <strong>für</strong> alle, natürlichen<br />
Zahlen.<br />
□<br />
Als e<strong>in</strong> komplexeres Beispiel <strong>für</strong> die Anwendung <strong>der</strong> vollständigen Induktion zum Beweis<br />
e<strong>in</strong>er wichtigen <strong>mathematische</strong>n Tatsache beh<strong>an</strong>deln wir im folgenden Abschnitt den<br />
b<strong>in</strong>omischen Lehrsatz.<br />
2.5.1. Der b<strong>in</strong>omische Lehrsatz. Der b<strong>in</strong>omische Lehrsatz dient <strong>der</strong> Auflösung von<br />
Potenzen <strong>der</strong> Form (a + b) n <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Summe von Produkten. Er lautet:<br />
n∑<br />
( n<br />
(a + b) n = a<br />
k)<br />
k b n−k .<br />
k=0<br />
Er begründet sich durch folgende Überlegung: Beim Ausmultiplizieren von n gleichen B<strong>in</strong>omen<br />
(a + b) wird <strong>für</strong> jedes Produkt aus jedem B<strong>in</strong>om entwe<strong>der</strong> e<strong>in</strong> a o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> b verwendet.<br />
Somit entstehen Produkte <strong>der</strong> Formen a n b 0 , a n−1 b 1 , . . . , a 1 b n−1 , a 0 b n . Die entstehenden Produkte<br />
werden additiv verknüpft, bleibt also nur noch die Frage, welche Produkte wie oft<br />
entstehen. Diese Frage nach dem Koeffizienten wird im b<strong>in</strong>omischen Lehrsatz mit ( n<br />
k)<br />
be<strong>an</strong>twortet.<br />
Weil er <strong>der</strong> Koeffizient <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwicklung <strong>der</strong> Potenz e<strong>in</strong>es B<strong>in</strong>oms (a + b) ist,<br />
nennt m<strong>an</strong> ihn B<strong>in</strong>omialkoeffizienten.<br />
Die <strong>mathematische</strong> Diszipl<strong>in</strong>, die sich unter <strong>an</strong><strong>der</strong>em mit dem Abzählen von Objekten<br />
beschäftigt, ist die Komb<strong>in</strong>atorik. Dort besteht e<strong>in</strong>e übliche Lösungsmethode dar<strong>in</strong>, e<strong>in</strong><br />
Problem durch e<strong>in</strong> äquivalentes Problem zu ersetzen (die Äquivalenz ist oft schwierig zu<br />
zeigen), welches leichter zu lösen ist. E<strong>in</strong> im Zusammenh<strong>an</strong>g mit B<strong>in</strong>omialkoeffizienten stets<br />
zitiertes äquivalentes Problem ist <strong>das</strong> Pascalsche Dreieck. Es folgt nachstehenden Regeln:<br />
• Die oberste Ebene enthält e<strong>in</strong>e Position.<br />
• Jede Ebene enthält e<strong>in</strong>e Position mehr als die darüberliegende.<br />
• Je<strong>der</strong> Position werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> darunterliegenden Ebene zwei benachbarte Positionen<br />
als L<strong>in</strong>ksuntere und Rechtsuntere zugeordnet.<br />
• Die L<strong>in</strong>ksuntere e<strong>in</strong>er Position ist stets gleich <strong>der</strong> Rechtsunteren ihrer l<strong>in</strong>ks benachbarten<br />
Position und umgekehrt.<br />
• Um e<strong>in</strong>en Weg zu e<strong>in</strong>er Zielposition zu erhalten, startet m<strong>an</strong> von <strong>der</strong> e<strong>in</strong>zigen Position<br />
<strong>der</strong> obersten Ebene. D<strong>an</strong>n geht m<strong>an</strong> immer zur L<strong>in</strong>ks- o<strong>der</strong> Rechtsunteren <strong>der</strong><br />
aktuellen Position, bis m<strong>an</strong> bei <strong>der</strong> Zielposition <strong>an</strong>gekommen ist.
20 2. GRUNDLAGEN<br />
• An je<strong>der</strong> Position notieren wir d<strong>an</strong>n die Anzahl <strong>der</strong> Wege, die zu ihr führen. Dabei<br />
gilt die Position <strong>in</strong> <strong>der</strong> obersten Ebene als Weg zu sich selbst, bekommt also e<strong>in</strong>e 1<br />
zugeordnet.<br />
1<br />
1<br />
✠<br />
1 1<br />
❘<br />
2 1 1<br />
1<br />
1<br />
❘<br />
1<br />
✠<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
✠<br />
1 1<br />
❘<br />
2 1<br />
❘<br />
3 3 1 1<br />
1<br />
1<br />
❘<br />
1 1<br />
✠<br />
2 1<br />
❘<br />
3 3 1 1<br />
1<br />
1<br />
❘<br />
1 1<br />
❘<br />
2 1<br />
✠<br />
3 3<br />
1<br />
Abbildung 2.1. Pascalsches Dreieck<br />
Der Zusammenh<strong>an</strong>g zwischen dem Pascalschen Dreieck und <strong>der</strong> Frage, wie oft die e<strong>in</strong>zelnen<br />
Produkte beim Ausmultiplizieren auftreten, ist folgen<strong>der</strong>:<br />
• Auf <strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Seite steht beim F<strong>in</strong>den e<strong>in</strong>es Weges auf je<strong>der</strong> Ebene die Entscheidung<br />
<strong>an</strong>, ob m<strong>an</strong> entwe<strong>der</strong> zum L<strong>in</strong>ks- o<strong>der</strong> Rechtunteren weitergeht.<br />
• Auf <strong>der</strong> <strong>an</strong><strong>der</strong>en Seite muss m<strong>an</strong> beim Ausmulitplizieren aus jedem B<strong>in</strong>om entwe<strong>der</strong><br />
e<strong>in</strong> a o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> b entnehmen.<br />
• Der <strong>an</strong> e<strong>in</strong>er Position notierte Wert wird also zum B<strong>in</strong>omialkoeffizienten des entsprechenden<br />
Produktes gleich se<strong>in</strong> (Dies hier noch unbewiesen wird im Weiteren<br />
gezeigt werden.), wobei die Ebene <strong>der</strong> Potenz entsprechend gewählt werden muss;<br />
die Koeffizienten ( n<br />
k)<br />
von (a + b) n f<strong>in</strong>det m<strong>an</strong> also <strong>in</strong> <strong>der</strong> (n + 1)–ten Ebene.<br />
( n<br />
)<br />
k be<strong>an</strong>sprucht also, als Ergebnis den Wert <strong>der</strong> k–ten Position <strong>der</strong> n–ten Ebene des<br />
Pascalschen Dreiecks zu haben, wobei die Nummerierung sowohl <strong>für</strong> n als auch <strong>für</strong> k mit 0<br />
beg<strong>in</strong>nt. Überlegen wir uns, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Position im Pascalschen Dreieck nur über ihre maximal<br />
zwei Oberen zu erreichen ist und alle Wege, zu den beiden Oberen verschieden s<strong>in</strong>d, so ist<br />
klarer Weise <strong>der</strong> Wert e<strong>in</strong>er Position gleich <strong>der</strong> Summe <strong>der</strong> Werte ihrer (höchstens zwei)<br />
Oberen. Aus dieser Überlegung def<strong>in</strong>ieren wir rekursiv:<br />
( 0<br />
:= 1,<br />
0)<br />
( n<br />
:= 0 ∀n ∈ und x < 0 o<strong>der</strong> x > n,<br />
x)<br />
( n<br />
:=<br />
k)<br />
Proposition 2.5.3. Es gilt:<br />
( n − 1<br />
k − 1<br />
) ( n − 1<br />
+<br />
k<br />
( n<br />
=<br />
k)<br />
Beweis. Zu beweisen ist: ( n<br />
=<br />
k)<br />
)<br />
.<br />
n!<br />
(n − k)!k!<br />
n!<br />
(n − k)!k!
Da<strong>für</strong> müssen wir zeigen, <strong>das</strong>s die Formel<br />
2.5. VOLLSTÄNDIGE INDUKTION 21<br />
n!<br />
(n − k)!k!<br />
<strong>der</strong> rekursiven Darstellung von ( n<br />
k)<br />
genügt.<br />
Dabei haben wir zu beachten, <strong>das</strong>s die Formel nur <strong>für</strong> n ≥ 0, 0 ≤ k ≤ n gilt. Außerhalb<br />
dieser Grenzen ist ( n<br />
k)<br />
als 0 def<strong>in</strong>iert.<br />
Zuerst untersuchen wir e<strong>in</strong>en R<strong>an</strong>d (<strong>in</strong> diesem Fall den l<strong>in</strong>ken) des Pascalschen Dreiecks<br />
und zeigen, <strong>das</strong>s er ausschließlich aus 1en besteht. Aus <strong>der</strong> zu beweisenden Formel ergibt sich:<br />
( n<br />
=<br />
0)<br />
( n<br />
=<br />
n)<br />
n!<br />
(n − 0)!0! = n!<br />
n! = 1 und<br />
n!<br />
n!(n − n)! = n!<br />
n! = 1.<br />
Wir müssen nun auch beweisen, <strong>das</strong>s <strong>das</strong>selbe aus <strong>der</strong> rekursiven Def<strong>in</strong>ition <strong>für</strong> ( n<br />
k)<br />
folgt.<br />
Dazu verwenden wir <strong>das</strong> Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> vollständigen Induktion:<br />
Behauptung:<br />
( n<br />
∀n ∈ : = 1<br />
0)<br />
Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g:<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme:<br />
( 0<br />
= 1 nach Def<strong>in</strong>ition.<br />
0)<br />
( k<br />
∀k ≤ n : = 1<br />
0)<br />
Induktionsschritt:<br />
über<br />
und<br />
( ) n + 1<br />
( 0<br />
n<br />
( −1)<br />
n<br />
0)<br />
=<br />
( ( n n<br />
+<br />
−1)<br />
0)<br />
= 0 nach Def<strong>in</strong>ition<br />
= 1 Induktions<strong>an</strong>nahme<br />
Das beweist<br />
folgt: ( ) n + 1<br />
0<br />
= 0 + 1 = 1<br />
( n<br />
∀n ∈ : = 1.<br />
0)<br />
G<strong>an</strong>z <strong>an</strong>alog zeigen wir auch ∀n ∈<br />
: ( n<br />
n)<br />
= 1: Behauptung:<br />
( n<br />
∀n ∈ : = 1<br />
n)<br />
Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g:<br />
( 0<br />
= 1 nach Def<strong>in</strong>ition.<br />
0)
22 2. GRUNDLAGEN<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme:<br />
Induktionsschritt:<br />
über<br />
und<br />
( ) n + 1<br />
( n + 1)<br />
n<br />
n + ( 1<br />
n<br />
n)<br />
=<br />
( k<br />
∀k ≤ n : = 1<br />
k)<br />
( n<br />
+<br />
n)<br />
( n<br />
)<br />
n + 1<br />
= 0 nach Def<strong>in</strong>ition<br />
= 1 Induktions<strong>an</strong>nahme<br />
Das zeigt<br />
folgt: ( ) n + 1<br />
n + 1<br />
= 1 + 0 = 1<br />
( n<br />
∀n ∈ : = 1.<br />
n)<br />
Jetzt beweisen wir die Formel <strong>für</strong> alle n und k. Da<strong>für</strong> müssen wir nachweisen, <strong>das</strong>s:<br />
( n n!<br />
=<br />
k)<br />
(n − k)!k!<br />
Wir beweisen e<strong>in</strong> weiteres Mal mittels vollständiger Induktion:<br />
Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g: ( 0 0!<br />
=<br />
( 0)<br />
(0 − 0)!0!<br />
0<br />
= 1 nach Def<strong>in</strong>ition<br />
0)<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme:<br />
( j<br />
k)<br />
0!<br />
(0 − 0)!0!<br />
=<br />
j!<br />
(j − k)!k!<br />
= 1 1 = 1<br />
∀j, k ∈<br />
: 0 ≤ j ≤ n, 0 ≤ k ≤ n<br />
Induktionsschritt:<br />
( ) ( ( )<br />
n + 1 n n<br />
= +<br />
rekursive Def<strong>in</strong>ition von<br />
k k)<br />
)<br />
n<br />
k<br />
k − 1<br />
n!<br />
=<br />
(n − k)!k! + n!<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme<br />
(n + 1 − k)!(k − 1)!<br />
n!(n − k + 1)<br />
=<br />
(n − k + 1)(n − k)!k! + n!k<br />
(n + 1 − k)!(k − 1)!k Erweitern<br />
n!(n − k + 1)<br />
=<br />
(n + 1 − k)!k! + n!k<br />
Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> <strong>Fakultät</strong><br />
(n + 1 − k)!k!<br />
=<br />
n!(n − k + 1) + n!k<br />
(n + 1 − k)!k!<br />
Zusammenfassen <strong>der</strong> Brüche<br />
=<br />
n!(n + k − k + 1)<br />
(n + 1 − k)!k!<br />
Herausheben<br />
=<br />
n!(n + 1)<br />
(n + 1 − k)!k!<br />
Addieren<br />
=<br />
(n + 1)!<br />
(n + 1 − k)!k!<br />
Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> <strong>Fakultät</strong>
2.5. VOLLSTÄNDIGE INDUKTION 23<br />
Das beweist, <strong>das</strong>s die Formel <strong>der</strong> rekursiven Darstellung von ( n<br />
k)<br />
genügt. □<br />
Zum Rechnen mit dieser Formel <strong>für</strong> ( n<br />
k)<br />
empfielt es sich, zu kürzen:<br />
( n<br />
k)<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n!<br />
k!(n − k)!<br />
n(n − 1) . . . (n − k + 1)<br />
∏ k−1<br />
k!<br />
i=0<br />
(n − i)<br />
k!<br />
Mit Hilfe <strong>der</strong> <strong>in</strong> Proposition 2.5.3 nachgewiesenen Formel lässt sich die Def<strong>in</strong>ition des B<strong>in</strong>omialkoeffizienten<br />
wie folgt erweitern:<br />
Def<strong>in</strong>ition 2.5.4. Der B<strong>in</strong>omialkoeffizient ist <strong>für</strong> α ∈ £ und k ∈ def<strong>in</strong>iert durch:<br />
( α<br />
k)<br />
=<br />
=<br />
α(α − 1) . . . (α − k + 1)<br />
∏<br />
k!<br />
k−1<br />
i=0<br />
(α − i)<br />
.<br />
k!<br />
Kehren wir nach diesem Ausflug <strong>in</strong> die Komb<strong>in</strong>atorik zum B<strong>in</strong>omischen Lehrsatz zurück,<br />
den wir als Nächstes beweisen werden:<br />
Proposition 2.5.5. Es gilt <strong>für</strong> a, b ∈ £ , n ∈ :<br />
(a + b) n =<br />
n∑<br />
k=0<br />
( n<br />
k)<br />
a k b n−k<br />
Beweis. Zu zeigen:<br />
∀n ∈ : ∀a, b ∈ £ : (a + b) n =<br />
n∑<br />
k=0<br />
( n<br />
k)<br />
a k b n−k<br />
Wir beweisen mittels vollständiger Induktion: Induktions<strong>an</strong>f<strong>an</strong>g:<br />
(a + b) n =<br />
mit n = 0:<br />
(a + b) 0 =<br />
1 =<br />
n∑<br />
k=0<br />
( n<br />
k)<br />
a k b n−k<br />
0∑<br />
( 0<br />
a<br />
k)<br />
k b 0−k<br />
( k=0<br />
0<br />
a<br />
0)<br />
0 b 0 = 1 · 1 · 1 = 1<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme:<br />
∀k ∈ mit k ≤ n : (a + b) k =<br />
k∑<br />
j=0<br />
( k<br />
j)<br />
a j b k−j
24 2. GRUNDLAGEN<br />
Induktionsschritt:<br />
(a + b) n+1 = (a + b)(a + b) n<br />
n∑<br />
( n<br />
= (a + b) a<br />
j)<br />
j b n−j<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n∑<br />
j=0<br />
n∑<br />
j=0<br />
j=0<br />
( n<br />
j)<br />
a j b n−j (a + b)<br />
Induktions<strong>an</strong>nahme<br />
Ausmultiplizieren<br />
( n<br />
j)<br />
(a j+1 b n−j + a j b n−j+1 ) Ausmultiplizieren<br />
n∑<br />
(( ( )<br />
n n<br />
a<br />
j)<br />
j+1 b n−j +<br />
j)a j b n−j+1<br />
j=0<br />
n∑<br />
j=0<br />
( n<br />
j)<br />
a j+1 b n−j +<br />
n∑<br />
j=0<br />
( n<br />
j)<br />
a j b n−j+1<br />
über j + 1 ( = i<br />
n<br />
und 0 = a<br />
0)<br />
n+1 b 0<br />
∑n+1<br />
( ) n<br />
∑n+1<br />
( n<br />
=<br />
a i b n−i+1 + a<br />
i − 1<br />
j)<br />
j b n−j+1<br />
i=1<br />
(<br />
j=0<br />
n<br />
über 0 = a<br />
−1)<br />
0 b n+1<br />
∑n+1<br />
( ) n<br />
∑n+1<br />
( n<br />
=<br />
a k b n−k+1 + a<br />
k − 1<br />
k)<br />
k b n−k+1<br />
k=0<br />
k=0<br />
∑n+1<br />
(( ) ( )<br />
n<br />
n<br />
=<br />
a k b n−k+1 +<br />
k − 1<br />
k)a k b n−k+1<br />
k=0<br />
∑n+1<br />
(( ) ( n n<br />
= a k b n−k+1 +<br />
k − 1 k))<br />
k=0<br />
∑n+1<br />
( ) n + 1<br />
=<br />
a k b n−k+1<br />
k<br />
k=0<br />
Das beweist den b<strong>in</strong>omischen Lehrsatz.<br />
Ausmultiplizieren<br />
Aufspalten <strong>der</strong> Summe<br />
erhalten wir:<br />
erhalten wir:<br />
Beachte: Laufvariablen umben<strong>an</strong>nt<br />
Vere<strong>in</strong>igen <strong>der</strong> Summen<br />
Herausheben<br />
rekursive Def<strong>in</strong>ition von ( )<br />
n<br />
k<br />
□
KAPITEL 3<br />
Logik, Mengenlehre<br />
Dieses Kapitel h<strong>an</strong>delt von den Grundlagen <strong>der</strong> Mathematik. Der Abschnitt über Boolesche<br />
Algebren sollte schon aus <strong>der</strong> Schule bek<strong>an</strong>nt se<strong>in</strong>. Versteht m<strong>an</strong> erst <strong>das</strong> Pr<strong>in</strong>zip<br />
von Booleschen Algebren, so hat m<strong>an</strong> damit schon den ersten Schritt zum Verständnis <strong>der</strong><br />
Aussagenlogik get<strong>an</strong>. Die Bedeutung <strong>der</strong> Qu<strong>an</strong>toren wird im darauf folgenden Abschnitt<br />
erklärt, und schließlich wird auf naive Weise die erste <strong>mathematische</strong> Struktur e<strong>in</strong>geführt,<br />
die Mengen.<br />
3.1. Boolesche Algebren<br />
In diesem Abschnitt wollen wir nochmals <strong>das</strong> Kapitel über Boolesche Algebren aus <strong>der</strong><br />
Schule aufarbeiten. Es soll uns nicht dazu dienen, daraus die Grundlage <strong>der</strong> Mathematik zu<br />
bauen. Wir werden uns dabei außerdem auf die Schaltalgebra beschränken, e<strong>in</strong> Konzept, <strong>das</strong><br />
<strong>für</strong> <strong>das</strong> Verständnis <strong>der</strong> Informatik von großer Bedeutung ist.<br />
Elektronische (auch elektrische) Schaltungen bestehen aus elektrischen Leitungen und<br />
aus Schaltern. Jede Leitung k<strong>an</strong>n sich <strong>in</strong> zwei Zuständen bef<strong>in</strong>den (Strom führend bzw. nicht<br />
Strom führend), so wie je<strong>der</strong> Schalter zwei Zustände (Stellungen) hat: ”<br />
E<strong>in</strong>“ und ”<br />
Aus“.<br />
Mathematisch k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sowohl den Zust<strong>an</strong>d e<strong>in</strong>er Leitung als auch die Stellung e<strong>in</strong>es<br />
Schalters mit Hilfe e<strong>in</strong>er Variable beschreiben, die zwei Werte <strong>an</strong>nehmen k<strong>an</strong>n: 0 o<strong>der</strong> 1.<br />
E<strong>in</strong>e solche Variable nennt m<strong>an</strong> b<strong>in</strong>äre Variable.<br />
Mit Schaltern k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> steuern, ob Strom durch e<strong>in</strong>e bestimmte Leitung fließt o<strong>der</strong><br />
nicht. Das heißt, die Schalterzustände steuern die Zustände von Leitungen. Schaltet m<strong>an</strong><br />
den Schalter e<strong>in</strong>, so lässt er den Strom passieren, und ergibt sich e<strong>in</strong> geschlossener Stromkreis,<br />
so fließt Strom durch die Leitung. In <strong>der</strong> Computertechnik wurden mit Hilfe von<br />
Tr<strong>an</strong>sitoren Schaltungen entwickelt, die wie elektronische Schalter funktionieren. Führt dort<br />
e<strong>in</strong>e bestimmte Leitung A Strom, so verhält sie sich wie e<strong>in</strong> Schalter im Zust<strong>an</strong>d ”<br />
E<strong>in</strong>“ <strong>für</strong><br />
e<strong>in</strong>e <strong>an</strong><strong>der</strong>e Leitung B. Fließt ke<strong>in</strong> Strom durch Leitung A, so verhält sie sich wie e<strong>in</strong> Schalter<br />
im ”<br />
Aus“–Zust<strong>an</strong>d <strong>für</strong> Leitung B.<br />
Baut m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e komplizierte Schaltung aus mehreren Schaltern, die durch Leitungen verbunden<br />
s<strong>in</strong>d, so ist meist auf den ersten Blick nicht zu erkennen, welche Leitungen bei<br />
welchen Schalterstellungen Strom führen und welche nicht. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n sich d<strong>an</strong>n e<strong>in</strong>en Überblick<br />
verschaffen, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> so gen<strong>an</strong>nte Schaltwerttabellen aufstellt. An e<strong>in</strong>igen e<strong>in</strong>fachen<br />
Schaltungen sei <strong>das</strong> Pr<strong>in</strong>zip demonstriert.<br />
• Setzt m<strong>an</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Stromkreis wie <strong>in</strong> Abbildung 3.1 zwei Schalter h<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>,<br />
bildet m<strong>an</strong> also e<strong>in</strong>e Serienschaltung, und untersucht, w<strong>an</strong>n die Leitung Strom führt,<br />
erhält m<strong>an</strong> folgende Schaltwerttabelle. Die Bedeutung <strong>der</strong> Tabelle ist rechts d<strong>an</strong>eben<br />
noch e<strong>in</strong>mal explizit erläutert.<br />
a b a ∧ b<br />
0 0 0<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
25<br />
0 ∧ 0 = 0<br />
0 ∧ 1 = 0<br />
1 ∧ 0 = 0<br />
1 ∧ 1 = 1
26 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
a<br />
b<br />
Abbildung 3.1. Serienschaltung — Und-Verknüpfung<br />
Der Strom fließt also, wenn Schalter a und Schalter b e<strong>in</strong>geschaltet s<strong>in</strong>d. Mathematisch<br />
schreibt m<strong>an</strong> kurz a ∧ b und spricht a und b.<br />
• Setzt m<strong>an</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Stromkreis wie <strong>in</strong> Abbildung 3.2 zwei Schalter nebene<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>,<br />
so wird m<strong>an</strong> folgendes feststellen: Damit die Leitung Strom führt, reicht es Schalter<br />
b<br />
a<br />
Abbildung 3.2. Parallelschaltung — O<strong>der</strong>-Verknüpfung<br />
a o<strong>der</strong> Schalter b e<strong>in</strong>zuschalten. E<strong>in</strong>e Schaltung dieser Art nennt m<strong>an</strong> Parallelschaltung<br />
und die entsprechende <strong>mathematische</strong> Verknüpfung heißt O<strong>der</strong>-Verknüpfung.<br />
M<strong>an</strong> schreibt a ∨ b und sprich a o<strong>der</strong> b. Die Schaltwerttabelle ist<br />
a b a ∨ b<br />
0 0 0<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 1<br />
M<strong>an</strong> beachte, <strong>das</strong>s ”<br />
o<strong>der</strong>“ im Gegensatz zum üblichen Sprachgebrauch bedeutet,<br />
<strong>das</strong>s a o<strong>der</strong> b o<strong>der</strong> beide e<strong>in</strong>geschaltet se<strong>in</strong> müssen.<br />
• Beschriftet m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>en Schalter ”<br />
verkehrt“, so erhält m<strong>an</strong> die e<strong>in</strong>fachste Schaltung,<br />
die Negation ¬a mit <strong>der</strong> Schaltwerttabelle<br />
a ¬a<br />
0 1<br />
1 0<br />
Mit elektrischen Leitungen und echten Schaltern k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> nicht leicht komplizierte<br />
Schaltungen bauen. Mit elektronischen Schaltern k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch Schaltungen bauen, <strong>in</strong><br />
denen e<strong>in</strong>e Leitung den Strom <strong>in</strong> mehreren <strong>an</strong><strong>der</strong>en Leitungen schaltet. Mit dieser Technik<br />
k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> aus den drei Grundschaltungen Serienschaltung (∧), Parallelschaltung (∨) und<br />
Negation (¬) jede beliebige Schaltung bauen.<br />
Nochmals e<strong>in</strong> Vergleich aus dem ”<br />
wirklichen Leben“. Wenn Sie als Abenteurer <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
F<strong>an</strong>tasy-Spiel <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Haus e<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gen müssen, d<strong>an</strong>n werden Sie zuerst die Türen untersuchen.
3.1. BOOLESCHE ALGEBREN 27<br />
Besitzt e<strong>in</strong>e Tür zwei Schlösser A und B, so müssen A und B öffnen, um die Tür zu<br />
überw<strong>in</strong>den. Hat <strong>das</strong> Haus aber zwei Türen a und b, so müssen Sie a o<strong>der</strong> b öffnen, um<br />
e<strong>in</strong>zudr<strong>in</strong>gen. Dies ist e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>schließendes O<strong>der</strong>, denn wenn sie beide Türen aufbekommen,<br />
ist <strong>das</strong> bestimmt ke<strong>in</strong> H<strong>in</strong><strong>der</strong>nis <strong>für</strong> <strong>das</strong> Durchsuchen des Hauses — und falls Sie <strong>an</strong> <strong>der</strong><br />
logischen Aufgabe mit den Türen und Schlössern scheitern, können Sie immer noch mit<br />
Hilfe <strong>der</strong> vollständigen Induktion e<strong>in</strong> Fenster im zweiten Stock e<strong>in</strong>schlagen.<br />
Bemerkung 3.1.1. Es existieren vier e<strong>in</strong>stellige Operatoren (wie ¬) und 16 mögliche<br />
b<strong>in</strong>äre Operatoren (wie ∧ o<strong>der</strong> ∨). Über zwei dieser b<strong>in</strong>ären Operatoren wollen wir sprechen.<br />
Betrachten wir zunächst die Schaltwerttabelle<br />
a b a b<br />
0 0 0<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 0<br />
Diese zweistellige Operation heißt XOR (exclusives o<strong>der</strong>, ausschließendes o<strong>der</strong>). Sie entspricht<br />
<strong>der</strong> Bedeutung von ”<br />
o<strong>der</strong>“ <strong>in</strong> <strong>der</strong> Umg<strong>an</strong>gssprache: Entwe<strong>der</strong> a o<strong>der</strong> b s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>geschaltet.<br />
(Anmerkung: In <strong>der</strong> Mathematik ist es unbed<strong>in</strong>gt notwendig, <strong>das</strong> Ausschließende zu<br />
betonen, wie etwa durch E<strong>in</strong>führen des Wortes ”<br />
entwe<strong>der</strong>“.)<br />
Interess<strong>an</strong>terweise gibt es e<strong>in</strong>e Operation, übrigens sehr billig mittels Tr<strong>an</strong>sistoren herstellbar,<br />
die alle<strong>in</strong> ausreicht, um alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Operationen und damit alle möglichen Schaltungen<br />
zu erzeugen. Diese b<strong>in</strong>äre Operation hat die Schaltwerttabelle<br />
a b a ∧ ¬ b<br />
0 0 1<br />
0 1 1<br />
1 0 1<br />
1 1 0<br />
und trägt den Namen NAND (negated AND, also negiertes UND). Der Zusammenh<strong>an</strong>g mit<br />
den bereits def<strong>in</strong>ierten Operationen ist a ¬ ∧ b = ¬(a ∧ b).<br />
Wie k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> die bereits bek<strong>an</strong>nten Grundoperationen mit Hilfe <strong>der</strong> NAND Operation<br />
zusammensetzen?<br />
• Es gilt ¬a = a ¬ ∧ a, wie wir <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Schaltwerttabelle leicht überprüfen können:<br />
a a ∧ ¬ a ¬a<br />
0 1 1<br />
1 0 0<br />
• Für die ODER Operation erhalten wir a ∨ b = (a ¬ ∧ a) ¬ ∧ (b ¬ ∧ b):<br />
a b a ∧ ¬ a b ∧ ¬ b (a ∧ ¬ a) ∧ ¬ (b ∧ ¬ b) a ∨ b<br />
0 0 1 1 0 0<br />
0 1 1 0 1 1<br />
1 0 0 1 1 1<br />
1 1 0 0 1 1
28 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
• Zuletzt stellen wir die UND Operation ebenfalls durch drei NAND Operationen dar<br />
als a∧b = (a ¬ ∧ b) ¬ ∧ (a ¬ ∧ b). Überprüfen wir die Richtigkeit wie<strong>der</strong> mit Hilfe <strong>der</strong> Schaltwerttabelle:<br />
a b a ¬ ∧ b (a ¬ ∧ b) ¬ ∧ (a ¬ ∧ b) a ∧ b<br />
0 0 1 0 0<br />
0 1 1 0 0<br />
1 0 1 0 0<br />
1 1 0 1 1<br />
E<strong>in</strong>e wichtige Frage bei <strong>der</strong> technischen Herstellung von Schaltungen ist die folgende:<br />
Es sei festgelegt, bei welchen Schalterstellungen welche Leitungen Strom führen sollen und<br />
welche nicht; es sei also die Schalttafel gegeben. Was ist die e<strong>in</strong>fachste Schaltung, die genau<br />
diese Schalttafel hat?<br />
Diese Frage zu be<strong>an</strong>tworten ist nicht g<strong>an</strong>z e<strong>in</strong>fach. Es ist sicher, <strong>das</strong>s es e<strong>in</strong>e Schaltung<br />
gibt, die <strong>der</strong> Schalttafel entspricht. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n sie auch immer konstruieren mit Hilfe <strong>der</strong> sogen<strong>an</strong>nten<br />
disjunktiven Normalform. Es sei also e<strong>in</strong>e Funktion f gegeben, <strong>der</strong>en Wert 0 o<strong>der</strong><br />
1 ist und von den b<strong>in</strong>ären Variablen a 1 , . . . , a n abhängt. Möchte m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Schaltung konstruieren<br />
mit n Schaltern, die den Variablen entsprechen, die immer den Wert f(a 1 , . . . , a n )<br />
ergibt, so folgt m<strong>an</strong> dem folgenden Algorithmus:<br />
(1) Stelle die Schaltwerttabelle mit den Variablen l<strong>in</strong>ks und dem gewünschten Funktionswert<br />
rechts auf.<br />
(2) Streiche alle Zeilen, <strong>in</strong> denen f(a 1 , . . . , a n ) den Wert 0 hat.<br />
(3) Ordne je<strong>der</strong> <strong>der</strong> verbliebenen Zeilen e<strong>in</strong>e UND-Verknüpfung von allen Variablen a i<br />
zu, die <strong>in</strong> dieser Zeile den Wert 1 haben und von den Negationen ¬a j aller Variablen,<br />
die <strong>in</strong> dieser Zeile den Wert 0 haben.<br />
(4) Verknüpfe alle gerade konstruierten UND Glie<strong>der</strong> durch ODER Verknüpfungen.<br />
Beispiel 3.1.2. Konstruieren wir die disjunktive Normalform zur Schaltwerttabelle<br />
Die disjunktive Normalform ist d<strong>an</strong>n<br />
a b c f(a, b, c) UND-Verknüpfung<br />
0 0 0 1 ¬a ∧ ¬b ∧ ¬c<br />
0 0 1 0<br />
0 1 0 1 ¬a ∧ b ∧ ¬c<br />
0 1 1 1 ¬a ∧ b ∧ c<br />
1 0 0 1 a ∧ ¬b ∧ ¬c<br />
1 0 1 0<br />
1 1 0 0<br />
1 1 1 1 a ∧ b ∧ c<br />
f(a, b, c) = (¬a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c).<br />
Die disjunktive Normalform ist übrigens nicht die e<strong>in</strong>zige Möglichkeit, zu e<strong>in</strong>er gegebenen<br />
Schaltwerttabelle e<strong>in</strong>e Schaltung zu konstruieren. Es existiert zum Beispiel auch noch die<br />
konjunktive Normalform, die sich grob gesprochen dadurch auszeichnet, <strong>das</strong>s sie e<strong>in</strong>e UND<br />
Verknüpfung von ODER-Ausdrücken ist. Konstruiert wird sie mit e<strong>in</strong>em <strong>an</strong>alogen (<strong>in</strong>versen)<br />
Algorithmus:<br />
(1) Stelle die Schaltwerttabelle mit den Variablen l<strong>in</strong>ks und dem gewünschten Funktionswert<br />
rechts auf.<br />
(2) Streiche alle Zeilen, <strong>in</strong> denen f(a 1 , . . . , a n ) den Wert 1 hat.<br />
(3) Ordne je<strong>der</strong> <strong>der</strong> verbliebenen Zeilen e<strong>in</strong>e ODER-Verknüpfung von allen Variablen a i<br />
zu, die <strong>in</strong> dieser Zeile den Wert 0 haben und von den Negationen ¬a j aller Variablen,<br />
die <strong>in</strong> dieser Zeile den Wert 1 haben.
3.1. BOOLESCHE ALGEBREN 29<br />
(4) Verknüpfe alle gerade konstruierten ODER Glie<strong>der</strong> durch UND Verknüpfungen.<br />
Die Normalformen zu e<strong>in</strong>em Ausdruck s<strong>in</strong>d üblicherweise sehr kompliziert, und die Frage<br />
ist, ob m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>fachere Schaltung konstruieren k<strong>an</strong>n, die dieselbe Schaltwerttabelle<br />
ergibt. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n leicht mit Hilfe e<strong>in</strong>zelner Schaltwerttabellen überprüfen, <strong>das</strong>s die Grundoperationen<br />
∧, ∨ und ¬ über folgende Gesetze mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> zusammenhängen:<br />
Theorem 3.1.3. Für die Operationen ∧, ∨ und ¬ gelten die folgenden Rechenregeln.<br />
Dabei seien a, b und c Aussagen.<br />
Kommutativgesetze:<br />
Assoziativgesetze:<br />
Distributivgesetze:<br />
Verschmelzungsgesetze:<br />
Idempotenzgesetze:<br />
Neutralitätsgesetze:<br />
Absorptionsgesetze:<br />
Komplementaritätsgesetze:<br />
Gesetz <strong>der</strong> doppelten Verne<strong>in</strong>ung:<br />
Gesetze von DE MORGAN:<br />
a ∨ b = b ∨ a<br />
a ∨ (b ∨ c) = (a ∨ b) ∨ c<br />
a ∨ (b ∧ c) = (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)<br />
a ∨ (b ∧ a) = a<br />
a ∨ a = a<br />
a ∨ 0 = a<br />
a ∨ 1 = 1<br />
a ∨ ¬a = 1<br />
¬0 = 1<br />
¬1 = 0<br />
¬(¬a) = a<br />
a ∧ b = b ∧ a<br />
a ∧ (b ∧ c) = (a ∧ b) ∧ c<br />
a ∧ (b ∨ c) = (a ∧ b) ∨ (a ∧ c)<br />
a ∧ (b ∨ a) = a<br />
a ∧ a = a<br />
a ∧ 1 = a<br />
a ∧ 0 = 0<br />
a ∧ ¬a = 0<br />
¬(a ∨ b) = ¬a ∧ ¬b ¬(a ∧ b) = ¬a ∨ ¬b<br />
Beweis. Aufstellen <strong>der</strong> Schaltwerttabellen.<br />
□<br />
Bemerkung 3.1.4. E<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong> Struktur mit 0, 1 und drei Operationen ∧, ∨<br />
und ¬, die die Rechengesetze<br />
(1) Kommutativgesetze<br />
(2) Distributivgesetze<br />
(3) Neutralitätsgesetze<br />
(4) Komplementaritätsgesetze<br />
erfüllt, heißt Boolesche Algebra. Alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Rechengesetze aus Theorem 3.1.3 lassen<br />
sich aus diesen acht herleiten.<br />
Beispiel 3.1.5. Zwei e<strong>in</strong>fache Beispiele, die im folgenden noch wichtig se<strong>in</strong> werden, s<strong>in</strong>d<br />
die b<strong>in</strong>ären Operationen<br />
a b a ⇒ b<br />
0 0 1<br />
0 1 1<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
und<br />
a b a ⇔ b<br />
0 0 1<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
In elementaren Operationen ausgedrückt f<strong>in</strong>den wir die disjunktive Normalform<br />
a ⇔ b = (¬a ∧ ¬b) ∨ (a ∧ b),<br />
und <strong>für</strong> a ⇒ b vere<strong>in</strong>fachen wir die disjunktive Normalform zu<br />
a ⇒ b = (¬a ∧ ¬b) ∨ (¬a ∧ b) ∨ (a ∧ b) = ( ¬a ∧ (¬b ∨ b) ) ∨ (a ∧ b) =<br />
= (¬a ∧ 1) ∨ (a ∧ b) = ¬a ∨ (a ∧ b) = (¬a ∨ a) ∧ (¬a ∨ b) = 1 ∧ (¬a ∨ b) = ¬a ∨ b.
30 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Beispiel 3.1.6. Mit Hilfe <strong>der</strong> Rechengesetze aus Theorem 3.1.3 können wir versuchen,<br />
die disjunktive Normalform aus Beispiel 3.1.2 zu vere<strong>in</strong>fachen.<br />
f(a, b, c) = (¬a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
(<br />
= ¬a ∧ ( (¬b ∧ ¬c) ∨ (b ∧ ¬c) ∨ (b ∧ c) )) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
(<br />
= ¬a ∧ ( ((¬b ∨ b) ∧ ¬c) ∨ (b ∧ c) )) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
(<br />
= ¬a ∧ ( (1 ∧ ¬c) ∨ (b ∧ c) )) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
(<br />
= ¬a ∧ ( ¬c ∨ (b ∧ c) )) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
= (¬a ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
= (¬a ∧ ¬c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ (¬a ∧ b ∧ c) ∨ (a ∧ b ∧ c) =<br />
= (¬a ∧ ¬c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ ( (¬a ∨ a) ∧ (b ∧ c) ) =<br />
= (¬a ∧ ¬c) ∨ (a ∧ ¬b ∧ ¬c) ∨ ( 1 ∧ (b ∧ c) ) =<br />
= ( (¬a ∨ (a ∧ ¬b)) ∧ ¬c ) ∨ (b ∧ c) =<br />
= ( (¬a ∨ a) ∧ (¬a ∨ ¬b) ∧ ¬c ) ∨ (b ∧ c) =<br />
= ( 1 ∧ (¬a ∨ ¬b) ∧ ¬c ) ∨ (b ∧ c) =<br />
= ( (¬a ∨ ¬b) ∧ ¬c ) ∨ (b ∧ c) =<br />
= ( ¬(a ∧ b) ∧ ¬c ) ∨ (b ∧ c) =<br />
= ¬ ( (a ∧ b) ∨ c ) ∨ (b ∧ c)<br />
dies ist schon e<strong>in</strong>e wesentlich kompaktere Formel, und <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Schaltwerttabelle k<strong>an</strong>n<br />
m<strong>an</strong> leicht überprüfen, <strong>das</strong>s diese Formel e<strong>in</strong>e äquivalente Schaltung beschreibt.<br />
3.2. Aussagen, Logik<br />
In <strong>der</strong> Mathematik werden Begriffe und Regeln <strong>der</strong> Logik verwendet, um <strong>das</strong> Theoriegebäude<br />
zu erbauen.<br />
Die Mathematik arbeitet dabei mit Aussagen. Das hervorstechende Merkmal e<strong>in</strong>er Aussage<br />
ist dabei:<br />
E<strong>in</strong>e Aussage ist entwe<strong>der</strong> wahr o<strong>der</strong> falsch.<br />
Beispiel 3.2.1. Beispiele <strong>für</strong> Aussagen s<strong>in</strong>d etwa:<br />
• 7 ist größer als 5, o<strong>der</strong> <strong>in</strong> Zeichen 7 > 5.<br />
• Es gibt unendlich viele Primzahlen.<br />
• Wale s<strong>in</strong>d Säugetiere.<br />
Die folgenden Sätze s<strong>in</strong>d ke<strong>in</strong>e Aussagen:<br />
• Wer geht heute <strong>in</strong>s Clubb<strong>in</strong>g?<br />
• 5 + 8<br />
E<strong>in</strong>e Beson<strong>der</strong>heit <strong>der</strong> Mathematik besteht dar<strong>in</strong>, <strong>das</strong>s zu Beg<strong>in</strong>n als Fundament <strong>der</strong> gesamten<br />
Wissenschaft e<strong>in</strong>e Reihe von Aussagen, die Axiome als wahr <strong>an</strong>genommen werden.<br />
D<strong>an</strong>ach werden ausgehend von diesen Aussagen weitere wahre Aussagen abgeleitet. Gewissermaßen<br />
könnte m<strong>an</strong> also sagen, <strong>das</strong>s sich die Mathematiker e<strong>in</strong>e eigene streng logisch
3.2. AUSSAGEN, LOGIK 31<br />
aufgebaute ”<br />
Welt“ erschaffen, <strong>in</strong> <strong>der</strong> sie niemals lügen (d.h. sie machen nur wahre Aussagen).<br />
Die Gültigkeit dieser Aussagen wird dadurch sicher gestellt, <strong>das</strong>s sie durch def<strong>in</strong>ierte logische<br />
Umformungsschritte aus bereits als wahr erk<strong>an</strong>nten Aussagen abgeleitet werden (auch was<br />
ableiten bedeutet, k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> exakt def<strong>in</strong>ieren — <strong>das</strong> ist aber Gegenst<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Vorlesungen<br />
aus dem Gebiet ”<br />
Logik“). Diesen Vorg<strong>an</strong>g nennt m<strong>an</strong> beweisen.<br />
3.2.1. Und o<strong>der</strong> o<strong>der</strong>, o<strong>der</strong> nicht? Nachdem Aussagen zwei mögliche ”<br />
Werte“ haben<br />
können, k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sie mit den gleichen Augen betrachten wie Schalter o<strong>der</strong> Stromleitungen,<br />
und m<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n genau dieselben Verknüpfungen von Aussagen machen wie m<strong>an</strong> aus Schaltern<br />
und Leitungen Schaltungen bauen k<strong>an</strong>n. M<strong>an</strong> beachte, <strong>das</strong>s bei <strong>der</strong> Untersuchung von<br />
Aussagen <strong>an</strong> Stelle von Schaltungen die Schaltwerttabellen als Wahrheitstafeln bezeichnen<br />
werden.<br />
Setzen wir <strong>in</strong> den Tabellen <strong>für</strong> wahr den Wert 1 und <strong>für</strong> falsch den Wert 0 und werfen<br />
wir noch e<strong>in</strong>mal e<strong>in</strong>en Blick auf die drei Grundoperationen, und versuchen wir zu klären,<br />
was sie im Zusammenh<strong>an</strong>g mit Aussagen bedeuten.<br />
3.2.1.1. ∨. Bei <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> o<strong>der</strong>–Verknüpfung muss m<strong>an</strong> aufmerksam se<strong>in</strong>, und<br />
daher wollen wir sie zu Beg<strong>in</strong>n beh<strong>an</strong>deln.<br />
Die Aussage<br />
Peter ist Professor o<strong>der</strong> Student.<br />
bedeutet, <strong>das</strong>s Peter Professor o<strong>der</strong> Student o<strong>der</strong> beides ist. Das O<strong>der</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik<br />
ist e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>schließendes O<strong>der</strong> — im Gegensatz zu, typischen Sprachgebrauch. Das entspricht<br />
auch <strong>der</strong> Tabelle zur Verknüpfung ∨.<br />
Möchte m<strong>an</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er <strong>mathematische</strong>n Aussage e<strong>in</strong> O<strong>der</strong> so verst<strong>an</strong>den wissen, <strong>das</strong>s es,<br />
ähnlich zur Umg<strong>an</strong>gssprache, <strong>das</strong> ”<br />
o<strong>der</strong> beides“ ausschließt, möchte m<strong>an</strong> also statt e<strong>in</strong>em<br />
e<strong>in</strong>schließenden O<strong>der</strong> e<strong>in</strong> ausschließendes O<strong>der</strong> verwenden, so muss m<strong>an</strong> <strong>das</strong> explizit machen,<br />
<strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> beispielsweise formuliert:<br />
Peter ist entwe<strong>der</strong> Professor o<strong>der</strong> Student.<br />
Merke: Hat m<strong>an</strong> zwei Aussagen p und q, d<strong>an</strong>n ist p∨q (<strong>in</strong> Sprache<br />
p o<strong>der</strong> q) wahr, wenn p o<strong>der</strong> q o<strong>der</strong> beide wahr s<strong>in</strong>d.<br />
So ist den meisten Schülern und Studenten die Aussage, ”<br />
Um e<strong>in</strong>e Prüfung zu bestehen,<br />
muss m<strong>an</strong> viel lernen o<strong>der</strong> gut schummeln“ allzu gut bek<strong>an</strong>nt.<br />
3.2.1.2. ∧. Während die o<strong>der</strong>–Verknüpfung e<strong>in</strong>igen Erklärungsbedarf nach sich gezogen<br />
hat, ist die und–Verknüpfung aus <strong>der</strong> Umg<strong>an</strong>gssprache <strong>in</strong>tuitiv klar.<br />
Was bedeutet die folgende Aussage?<br />
Die Zahl 6 ist durch 3 teilbar und die Zahl 6 ist durch 2 teilbar.<br />
Klarerweise ist diese Aussage e<strong>in</strong>e und–Verknüpfung (∧) <strong>der</strong> beiden Aussagen ”<br />
6 ist durch<br />
3 teilbar“ und ”<br />
6 ist durch 2 teilbar“. Beide diese Aussagen s<strong>in</strong>d wahr, also ist auch die<br />
und–Verknüpfung <strong>der</strong> beiden Aussagen wahr, und damit ist auch die Aussage von oben.<br />
Merke: Hat m<strong>an</strong> zwei Aussagen p und q, d<strong>an</strong>n ist p∧q (<strong>in</strong> Sprache<br />
p und q) wahr, wenn p und q beide wahr s<strong>in</strong>d.<br />
Im Gegensatz zu beliebigen Prüfungen seien die Studenten aber gewarnt, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> die<br />
Prüfung zu dieser Vorlesung die Aussage gilt: ”<br />
Zum Bestehen <strong>der</strong> <strong>E<strong>in</strong>führung</strong>sprüfung muss<br />
<strong>der</strong>/die Student/<strong>in</strong> viel lernen und gut schummeln.“<br />
3.2.1.3. ¬. Die Negation e<strong>in</strong>er Aussage ist klarerweise <strong>der</strong>en Verne<strong>in</strong>ung. Wenn wir etwa<br />
die Negation <strong>der</strong> Aussage<br />
Der Fußboden ist blau.<br />
bilden, so erhalten wir natürlich
32 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Der Fußboden ist nicht blau.<br />
WICHTIG: ”<br />
Der Fußboden ist gelb“ ist ke<strong>in</strong>e Verne<strong>in</strong>ung <strong>der</strong> obigen Aussage!<br />
Interess<strong>an</strong>t wird es, wenn wir Aussagen verne<strong>in</strong>en, <strong>in</strong> denen bereits Verknüpfungen ∨<br />
o<strong>der</strong> ∧ vorkommen. D<strong>an</strong>n müssen wir achtgeben. Hier helfen uns die Untersuchungen aus<br />
Abschnitt 3.1 weiter, denn <strong>in</strong> Theorem 3.1.3 haben wir die Regeln von De Morg<strong>an</strong> kennen gelernt,<br />
die uns Aufschluss darüber geben, was passiert, wenn m<strong>an</strong> und– und o<strong>der</strong>-Verknüpfungen<br />
negiert. Betrachten wir e<strong>in</strong>ige Beispiele:<br />
• Verne<strong>in</strong>t m<strong>an</strong><br />
Der Fußboden ist blau und die Decke ist grün.<br />
so erhält m<strong>an</strong><br />
Der Fußboden ist nicht blau o<strong>der</strong> die Decke ist nicht grün.<br />
• Will m<strong>an</strong> dagegen die Aussage<br />
Die Zahl 3 ist e<strong>in</strong>e Primzahl o<strong>der</strong> die Zahl 4 ist e<strong>in</strong>e Primzahl.<br />
negieren, so muss m<strong>an</strong> folgen<strong>der</strong>maßen formulieren.<br />
Die Zahl 3 ist ke<strong>in</strong>e Primzahl und die Zahl 4 ist ke<strong>in</strong>e Primzahl.<br />
Merke: Will m<strong>an</strong> ∧– o<strong>der</strong> ∨–Verknüpfungen von Aussagen verne<strong>in</strong>en,<br />
so verne<strong>in</strong>t m<strong>an</strong> die E<strong>in</strong>zelaussagen und tauscht d<strong>an</strong>n ∧<br />
gegen ∨ aus. Es gelten also die Regeln von De Morg<strong>an</strong><br />
¬(p ∧ q) = ¬p ∨ ¬q<br />
¬(p ∨ q) = ¬q ∧ ¬p.<br />
Die letzte wichtige Regel <strong>für</strong> Negationen ist schließlich, <strong>das</strong>s doppelte Verne<strong>in</strong>ungen wegfallen:<br />
Wale s<strong>in</strong>d nicht ke<strong>in</strong>e Säugetiere.<br />
bedeutet <strong>das</strong>selbe wie<br />
Wale s<strong>in</strong>d Säugetiere.<br />
Merke: Doppelte Verne<strong>in</strong>ungen fallen weg. Es gilt ¬(¬p) = p.<br />
Beispiel 3.2.2. Trifft e<strong>in</strong> Informatiker se<strong>in</strong>en Freund, <strong>der</strong> mit rauchendem Kopf verzweifelt<br />
vor dem Computer sitzt. Weil er aus ihm ke<strong>in</strong> vernünftiges Wort herausbr<strong>in</strong>gt, blickt<br />
er kurz auf den Monitor und liest: Nicht alle Dateien nicht löschen? (J/N).<br />
3.2.1.4. =⇒ . Wie versprochen, wird die <strong>in</strong> Beispiel 3.1.5 e<strong>in</strong>geführte b<strong>in</strong>äre Operation,<br />
die Implikation, <strong>an</strong> wichtiger Stelle wie<strong>der</strong> auftauchen. Wir haben schon diskutiert, <strong>das</strong>s<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik neue Aussagen aus bereits bek<strong>an</strong>nten Resultaten abgeleitet werden.<br />
Werfen wir e<strong>in</strong>en genaueren Blick auf diesen Vorg<strong>an</strong>g. Alle <strong>mathematische</strong>n Sätze haben<br />
bei genauer Betrachtung <strong>das</strong> folgende Aussehen:<br />
Theorem 3.2.3. Aus den Voraussetzungen folgt <strong>das</strong> Resultat.<br />
Genauer: E<strong>in</strong> Theorem ist e<strong>in</strong>e Aussage <strong>der</strong> Form Voraussetzungen =⇒ Resultat. Der<br />
Beweis stellt sicher <strong>das</strong>s diese Aussage wahr ist.<br />
Was <strong>das</strong> bedeutet, können wir erst erkennen, wenn wir die Wahrheitstafel <strong>der</strong> ⇒–Operation<br />
noch e<strong>in</strong>mal betrachten.<br />
p q p ⇒ q<br />
0 0 1<br />
0 1 1<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
Wir erkennen, <strong>das</strong>s es nur e<strong>in</strong>en Fall gibt, <strong>in</strong> dem die Aussage e<strong>in</strong>er Implikation falsch ist,<br />
nämlich wenn die Voraussetzungen wahr s<strong>in</strong>d aber die Folgerung falsch ist. In allen <strong>an</strong><strong>der</strong>en<br />
Fällen ist die Aussage wahr.
3.2. AUSSAGEN, LOGIK 33<br />
E<strong>in</strong>e spezielle Betrachtung verdienen die beiden Fälle, <strong>in</strong> denen p, also die Voraussetzungen,<br />
falsch s<strong>in</strong>d. In diesen Fällen ist die Aussage <strong>der</strong> Implikation nämlich wahr unabhängig<br />
davon wie <strong>der</strong> Wahrheitswert des Resultates ist ( ex falso quodlibet“ — lat. aus falschem wie<br />
”<br />
es beliebt). Diese <strong>mathematische</strong> Def<strong>in</strong>ition wi<strong>der</strong>spricht e<strong>in</strong> wenig <strong>der</strong> sprachlichen Intuition.<br />
Das ist etwas, wor<strong>an</strong> m<strong>an</strong> sich gewöhnen muss.<br />
Die beiden Zeilen mit p = 1 stehen wohl außer Diskussion. Es geht im folgenden vor<br />
allem um die beiden ersten Zeilen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wahrheitstabelle. Der Ergebniswert k<strong>an</strong>n <strong>in</strong> beiden<br />
Fällen nur 0 o<strong>der</strong> 1 se<strong>in</strong>, denn e<strong>in</strong>e dritte Möglichkeit kennt die formale (zweiwertige) Logik<br />
nicht ( tertium non datur!“).<br />
”<br />
E<strong>in</strong> pragmatischer St<strong>an</strong>dpunkt wäre zu sagen: Wir wollen möglichst viele wahre Aussagen<br />
<strong>in</strong> unseren Theorien haben, und daher setzen wir <strong>an</strong> beiden Stellen 1.“ Das macht<br />
”<br />
S<strong>in</strong>n, denn wir wollen mit dem Theorem nur Aussagen machen über Fälle, <strong>in</strong> denen die<br />
Voraussetzungen erfüllt s<strong>in</strong>d, und alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Fälle wollen wir nicht betrachten. D<strong>an</strong>n soll<br />
<strong>das</strong> Theorem immer noch wahr se<strong>in</strong>, auch wenn die Voraussetzungen e<strong>in</strong>mal nicht erfüllt se<strong>in</strong><br />
sollten.<br />
Es hat sich gezeigt, <strong>das</strong>s diese Tatsache zu Beg<strong>in</strong>n meist (philosphische) Probleme bereitet.<br />
E<strong>in</strong> zusätzliches Beispiel möge die obige Wahrheitstabelle motivieren. Es trifft vielleicht<br />
nicht g<strong>an</strong>z den Kern <strong>der</strong> Sache, soll aber aufzeigen, <strong>das</strong>s auch im täglichen Leben obige<br />
Wahrheitstabelle durchaus e<strong>in</strong>e Entsprechung f<strong>in</strong>det.<br />
(∗) Es wird e<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> durch die Glasscheibe geworfen,<br />
und daher zerbricht sie.<br />
Diese Aussage steht, denke ich, außer Zweifel. Sie ist also wahr. Analysieren wir die Sache<br />
genauer.<br />
Wir haben die folgenden Aussagen:<br />
p: E<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen.<br />
q: Die Glasscheibe zerbricht.<br />
p ⇒ q: E<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen, und daraus folgt, <strong>das</strong>s die<br />
Glasscheibe zerbricht.<br />
Die Aussage p ⇒ q ist e<strong>in</strong>e etwas deutlichere Formulierung unserer Beispielaussage (∗) von<br />
oben, <strong>der</strong>en Wahrheit wir akzeptiert haben.<br />
Nun gehen wir alle Fälle unserer Wahrheitstabelle durch:<br />
p = 0, q = 0: Ke<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen. Die Glasscheibe zerbricht<br />
nicht. Dies ist mit <strong>der</strong> Wirklichkeit durchaus verträglich, und wi<strong>der</strong>spricht<br />
nicht im m<strong>in</strong>desten unserer Beispielbehauptung, und daher ist (∗) wahr.<br />
p = 1, q = 1: E<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen. Die Glasscheibe zerbricht.<br />
Auch <strong>das</strong> ist e<strong>in</strong> üblicher Vorg<strong>an</strong>g (nicht <strong>das</strong> Werfen aber <strong>das</strong> darauf folgende Zerbrechen).<br />
Auch <strong>in</strong> diesem Fall entsteht ke<strong>in</strong> Zweifel <strong>an</strong> (∗), es bleibt wahr.<br />
p = 0, q = 1: Ke<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen. Die Glasscheibe zerbricht.<br />
Dieser Fall bereitet üblicherweise Schwierigkeiten: Umkehrschlüsse s<strong>in</strong>d unzulässig!“<br />
Doch bei genauerer Betrachtung verblasst <strong>das</strong> Problem schnell. Vielleicht<br />
”<br />
haben wir die Glasscheibe etwa mit e<strong>in</strong>em Eisenträger durchstoßen. Die Scheibe ist<br />
kaputt ohne <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> geflogen wäre. Was <strong>der</strong> Scheibe auch immer passiert ist,<br />
genau können wir <strong>das</strong> aus dem Wahrheitsgehalt <strong>der</strong> Aussagen p und q nicht ableiten,<br />
die Tatsache, <strong>das</strong>s (∗) wahr ist, wird davon nicht berührt.<br />
p = 1, q = 0: E<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> wird durch die Glasscheibe geworfen. Die Glasscheibe zerbricht<br />
nicht. Für e<strong>in</strong>en solchen Fall fände ich ke<strong>in</strong>e Erklärung — Magie vielleicht? In <strong>der</strong><br />
wirklichen Welt tendieren Scheiben zu zerbrechen, wenn m<strong>an</strong> Ste<strong>in</strong>e durchschmeißt.<br />
Sollte aber tatsächlich <strong>der</strong> Fall e<strong>in</strong>treten, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Ste<strong>in</strong> geworfen wird, er durch die<br />
Scheibe fliegt und d<strong>an</strong>n die Scheibe noch g<strong>an</strong>z ist, d<strong>an</strong>n haben wir e<strong>in</strong> Problem.
34 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
In diesem e<strong>in</strong>en Fall müssten wir unsere Überzeugung aufgeben, <strong>das</strong>s (∗) gilt. Die<br />
Aussage (∗) wäre also tatsächlich falsch.<br />
Wir haben also die Wahrheitswerte <strong>der</strong> Tabelle <strong>für</strong> ⇒ <strong>in</strong> unserem Beispiel auf natürliche<br />
Weise wie<strong>der</strong>gefunden.<br />
Alternativ dazu könnten wir versuchen herauszuf<strong>in</strong>den, was es bedeutet, wenn wir die<br />
Ergebniswerte <strong>in</strong> den ersten beiden Zeilen <strong>an</strong><strong>der</strong>s setzen. Betrachten wir die <strong>an</strong><strong>der</strong>en Fälle:<br />
p q p ∧ q<br />
0 0 0<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
p q p ⇔ q<br />
0 0 1<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
p q q<br />
0 0 0<br />
0 1 1<br />
1 0 0<br />
1 1 1<br />
.<br />
Der erste Fall ist die UND-Verknüpfung <strong>der</strong> Aussagen p und q. Wir hätten also nur d<strong>an</strong>n<br />
e<strong>in</strong>e gültige Folgerung, wenn p und q beide wahr s<strong>in</strong>d. Der Satz: ”<br />
Das Quadrat e<strong>in</strong>er geraden<br />
Zahl ist gerade.“ wäre also nicht wahr son<strong>der</strong>n hätte ke<strong>in</strong>en zuordenbaren Wahrheitswert —<br />
<strong>das</strong> ist zum<strong>in</strong>dest unpraktisch.<br />
Der zweite Fall ist die Äquivalenz. Auch <strong>das</strong> ist e<strong>in</strong> wenig zu restriktiv. In diesem Fall<br />
wäre <strong>der</strong> Satz ”<br />
S<strong>in</strong>d zwei Zahlen gleich, d<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d auch ihre Quadrate gleich.“ nicht wahr,<br />
denn 2 ≠ −2 aber 2 2 = (−2) 2 .<br />
Im letzten Fall stimmen die Wahrheitswerte des Theorems mit denen von q, also denen des<br />
Resultates übere<strong>in</strong>, und <strong>der</strong> Wahrheitsgehalt <strong>der</strong> Voraussetzung wird gar nicht betrachtet.<br />
Auch <strong>in</strong> diesem Fall wäre <strong>der</strong> Satz über die Quadrate gera<strong>der</strong> Zahlen nicht wahr.<br />
Wir sehen also, <strong>das</strong>s vieles da<strong>für</strong> spricht, die Implikation so und nicht <strong>an</strong><strong>der</strong>s zu def<strong>in</strong>ieren.<br />
Alle die jetzt noch nicht überzeugt s<strong>in</strong>d, seien dazu <strong>an</strong>gehalten, die Tatsache e<strong>in</strong>fach zu<br />
akzeptieren und sich dar<strong>an</strong> zu gewöhnen.<br />
Nachdem Schlußfolgerungen <strong>das</strong> Instrument <strong>der</strong> Mathematik s<strong>in</strong>d, kommen sie <strong>in</strong> <strong>mathematische</strong>n<br />
Texten augesprochen oft vor. Deshalb haben sich auch e<strong>in</strong>e Reihe von St<strong>an</strong>dardformulierungen<br />
ausgebildet, die <strong>an</strong> Stelle <strong>der</strong> Formulierung ”<br />
daraus folgt“ <strong>an</strong>gewendet<br />
werden können.<br />
• also; auf Grund von; <strong>das</strong> bedeutet, <strong>das</strong>s; unter Berücksichtigung von; daher;<br />
damit; es ergibt sich; daraus erhalten wir; dies hat zur Folge; m<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n folgern;<br />
wir folgern; folglich; genauer gesagt; dies ist h<strong>in</strong>reichend <strong>für</strong>; dies ist e<strong>in</strong>e<br />
h<strong>in</strong>reichende Bed<strong>in</strong>gung <strong>für</strong>; dies impliziert; <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e; dies hat zur Konsequenz;<br />
mith<strong>in</strong>; e<strong>in</strong>e notwendige Bed<strong>in</strong>gung da<strong>für</strong> ist; dies lässt sich schreiben<br />
als; wir sehen; somit; e<strong>in</strong> Spezialfall hiervon ist; nach Umformung ergibt sich;<br />
mit <strong>an</strong><strong>der</strong>en Worten; es zeigt sich, <strong>das</strong>s,. . .<br />
Es haben zwar nicht alle diese Formulierungen dieselbe Bedeutung, doch wenn Sie e<strong>in</strong> bisschen<br />
überlegen, wird es Ihnen nicht schwer fallen, vielleicht mit e<strong>in</strong> wenig Erfahrung, die<br />
fe<strong>in</strong>en Unterschiede herauszuarbeiten.<br />
Gut ist auch, wenn Sie den Leser o<strong>der</strong> Hörer darauf h<strong>in</strong> weisen, warum e<strong>in</strong>e Folgerung<br />
richtig ist.<br />
• nach Annahme; auf Grund von Satz 4.29; unter Berücksichtigung <strong>der</strong> Theorie<br />
<strong>der</strong>. . . ; da V endlich dimensional ist; aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition ergibt sich; per def<strong>in</strong>itionem<br />
ist; nach Voraussetzung; wegen Lemma 12.2; weil f stetig ist. . .<br />
Zuletzt können Sie noch den Aufw<strong>an</strong>d verdeutlichen, <strong>der</strong> benötigt wird, um e<strong>in</strong> Resultat<br />
nach zu vollziehen.
3.2. AUSSAGEN, LOGIK 35<br />
• durch e<strong>in</strong>faches Ausrechnen; durch genaues H<strong>in</strong>sehen; wie m<strong>an</strong> leicht sieht;<br />
offenbar; offensichtlich; durch technische und un<strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Abschätzungen;<br />
durch triviale und l<strong>an</strong>gweilige Rechnung; trivialerweise; durch mühsame<br />
Umformungen; durch Überprüfen <strong>der</strong> Wahrheitstabellen;. . .<br />
Verjuxen Sie nicht den Vertrauensvorschuss des Lesers durch falsche Angaben über den<br />
Aufw<strong>an</strong>d. Behaupten Sie grundsätzlich nicht, <strong>das</strong>s etwas leicht e<strong>in</strong>zusehen ist, wenn Sie<br />
mehr als 15 M<strong>in</strong>uten gebraucht haben, um es selbst e<strong>in</strong> zu sehen.<br />
Zum Gebrauch des Wortes trivial ist noch zu sagen, <strong>das</strong>s die wenigsten Schritte <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> Mathematik tatsächlich trivial s<strong>in</strong>d. Trivial ist e<strong>in</strong> Beweisschritt nur d<strong>an</strong>n, wenn er<br />
unmittelbar folgt (etwa direkt durch Anwendung e<strong>in</strong>er Def<strong>in</strong>ition). Steckt e<strong>in</strong>, wenn auch<br />
noch so leicht e<strong>in</strong>zusehen<strong>der</strong> Beweis h<strong>in</strong>ter dem Schritt, so ist er schon nicht mehr trivial.<br />
Es existiert noch e<strong>in</strong>e zweite, technische Bedeutung des Wortes trivial <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik,<br />
nämlich als Adjektiv wie <strong>in</strong><br />
o<strong>der</strong><br />
Die trivialen Teiler e<strong>in</strong>er natürlichen Zahl n s<strong>in</strong>d 1 und n.<br />
E<strong>in</strong> homogenes l<strong>in</strong>eares Gleichungssystem hat immer zum<strong>in</strong>dest e<strong>in</strong>e Lösung,<br />
nämlich die triviale.<br />
Hier bedeutet trivial e<strong>in</strong> o<strong>der</strong> mehrere ausgezeichnete Objekte, die nach Def<strong>in</strong>ition immer<br />
existieren aber meist un<strong>in</strong>teress<strong>an</strong>t s<strong>in</strong>d.<br />
Wollen wir e<strong>in</strong>en Satz beweisen, so müssen wir sicher stellen, <strong>das</strong>s se<strong>in</strong>e Aussage wahr<br />
ist. Die Wahrheitstabelle gibt uns dazu zwei Möglichkeiten.<br />
(1) Wir können <strong>an</strong>nehmen, <strong>das</strong>s die Voraussetzungen (dies s<strong>in</strong>d selbst Aussagen) gelten,<br />
<strong>das</strong>s also p wahr ist, und zeigen, <strong>das</strong>s d<strong>an</strong>n <strong>das</strong> Resultat (die Aussage q) ebenfalls<br />
wahr ist. Beweise dieser Art nennt m<strong>an</strong> direkte Beweise.<br />
(2) Alternativ können wir <strong>an</strong>nehmen, <strong>das</strong>s <strong>das</strong> Resultat (q) falsch ist und d<strong>an</strong>n daraus<br />
folgern, <strong>das</strong>s die Voraussetzungen (die Aussage p) ebenfalls falsch s<strong>in</strong>d. Beweise<br />
dieser Art nennt m<strong>an</strong> <strong>in</strong>direkte Beweise. Dieses Beweispr<strong>in</strong>zip funktioniert, da die<br />
Aussage des Satzes bei falschem q nur d<strong>an</strong>n wahr ist, wenn auch p falsch ist. Ist<br />
jedoch q wahr, so k<strong>an</strong>n p beliebig se<strong>in</strong>.<br />
Nachdem schon e<strong>in</strong>ige direkte Beweise (z.B. die Induktionsbeweise) vorgekommen s<strong>in</strong>d,<br />
betrachten wir hier nur e<strong>in</strong> weiteres Beispiel <strong>für</strong> e<strong>in</strong>en <strong>in</strong>direkten Beweis.<br />
Theorem 3.2.4. Die Zahl √ 2 ist irrational.<br />
Beweis. Die Aussage des Satzes als Implikation aufgeschrieben lautet:<br />
Ist q ∈ £ e<strong>in</strong>e rationale Zahl, so gilt q ≠ √ 2.<br />
Wir führen e<strong>in</strong>en <strong>in</strong>direkten Beweis. Davor schreiben wir noch e<strong>in</strong>mal alle Voraussetzungen<br />
<strong>an</strong>, die wir verwenden wollen.<br />
Für jede rationale Zahl q gibt es teilerfremde g<strong>an</strong>ze Zahlen m und n mit q = m, und n<br />
jede Bruchzahl ist rational. Daher ist q ¢ ∈ gleichbedeutend damit, <strong>das</strong>s q als Bruch zweier<br />
teilerfrem<strong>der</strong> g<strong>an</strong>zer Zahlern darstellbar ist.<br />
Wir können die Aussage des Satzes also auch folgen<strong>der</strong>maßen formulieren: S<strong>in</strong>d m und<br />
n zwei teilerfremde g<strong>an</strong>ze Zahlen, so gilt m ≠ √ 2.<br />
n<br />
Für den <strong>in</strong>direkten Beweis müssen wir <strong>das</strong> Resultat verne<strong>in</strong>en, also nehmen wir <strong>an</strong>, <strong>das</strong>s<br />
m<br />
= √ 2. Daraus reicht es zu folgern, <strong>das</strong>s m und n nicht teilerfremde g<strong>an</strong>ze Zahlen s<strong>in</strong>d.<br />
n
36 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Beweisen wir dies. Sei<br />
m<br />
n = √ 2<br />
m 2<br />
n 2 = 2<br />
m 2 = 2n 2 .<br />
Dies bedeutet aber, <strong>das</strong>s m 2 gerade ist, und da <strong>das</strong> Quadrat e<strong>in</strong>er ungeraden Zahl ungerade<br />
ist, muss folglich m selbst gerade se<strong>in</strong>. Damit können wir m aber schreiben als m = 2k und<br />
e<strong>in</strong>setzen,<br />
(2k) 2 = 2n 2<br />
4k 2 = 2n 2<br />
2k 2 = n 2 .<br />
Wir sehen, <strong>das</strong>s auch n 2 und damit n gerade s<strong>in</strong>d. Nachdem wir jetzt bewiesen haben, <strong>das</strong>s n<br />
und m beide gerade s<strong>in</strong>d, können sie nicht länger teilerfremd se<strong>in</strong> (sie s<strong>in</strong>d als gerade Zahlen<br />
beide durch 2 teilbar). Dies wi<strong>der</strong>legt unsere Voraussetzung, und <strong>der</strong> <strong>in</strong>direkte Beweis ist zu<br />
Ende.<br />
□<br />
3.2.1.5. ⇐⇒ . E<strong>in</strong>e zweite Klasse von Sätzen <strong>der</strong> Mathematik hat die logische Äquivalenz<br />
(die Operation ⇔) als Grundlage. E<strong>in</strong>e leichte Rechnung mit den Wahrheitstabellen<br />
ergibt a ⇔ b = (a ⇒ b) ∧ (b ⇒ a).<br />
Die typische Aussage e<strong>in</strong>es Äquivalenzsatzes sieht so aus<br />
Theorem 3.2.5. Resultat 1 gilt genau d<strong>an</strong>n, wenn Resultat 2 gilt.<br />
Auch <strong>an</strong> Stelle <strong>der</strong> St<strong>an</strong>dardaussage ”<br />
<strong>das</strong> gilt genau d<strong>an</strong>n, wenn“ haben sich e<strong>in</strong>ige <strong>an</strong><strong>der</strong>e<br />
Formulierungen e<strong>in</strong>gebürgert.<br />
• <strong>das</strong> ist äquivalent zu; dies ist gleichbedeutend mit; dies ist gleichwertig mit;<br />
die beiden Aussagen gehen ause<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> hervor; dies ist notwendig und h<strong>in</strong>reichend<br />
<strong>für</strong>. . .<br />
Die übrigen H<strong>in</strong>weise, wie Aufw<strong>an</strong>ds<strong>an</strong>gabe und Erwähnung <strong>der</strong> Begründung, die wir bei<br />
den Implikationen schon besprochen haben, gelten natürlich auch <strong>für</strong> Äquivalenzen.<br />
Noch e<strong>in</strong>e Bemerkung zu den Wörtern notwendig und h<strong>in</strong>reichend. Wenn A und B<br />
Aussagen s<strong>in</strong>d und A ⇒ B gilt, so heißt A h<strong>in</strong>reichend <strong>für</strong> B, und B heißt notwendig <strong>für</strong> A.<br />
Lernen Sie <strong>das</strong> auswendig und versuchen Sie nicht die Bedeutung zu h<strong>in</strong>terfragen.<br />
Beispiel 3.2.6. • Notwendig da<strong>für</strong>, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Zahl n > 2 e<strong>in</strong>e Primzahl ist, ist,<br />
<strong>das</strong>s sie ungerade ist<br />
• H<strong>in</strong>reichend <strong>für</strong> die Stetigkeit e<strong>in</strong>er Funktion ist ihre Differenzierbarkeit.<br />
Nun zu wenn, d<strong>an</strong>n, wenn, nur d<strong>an</strong>n, wenn:<br />
• ”<br />
A gilt d<strong>an</strong>n, wenn B gilt“ bedeutet: A ⇐= B.<br />
• ”<br />
A gilt nur d<strong>an</strong>n, wenn B gilt“ heißt h<strong>in</strong>gegen A =⇒ B.<br />
Um e<strong>in</strong> Beispiel zu geben, betrachten wir die Formulierungen: A ist ”<br />
E<strong>in</strong> neuer Papst wird<br />
gewählt.“, B sei ”<br />
Der alte Papst ist gestorben.“. Die Formulierung ”<br />
E<strong>in</strong> neuer Papst wird<br />
nur d<strong>an</strong>n gewählt, wenn <strong>der</strong> alte gestorben ist“ entspricht d<strong>an</strong>n <strong>der</strong> Folgerung A ⇒ B.<br />
Wenn wir den Satz umdrehen, so ergibt <strong>das</strong> die Aussage ”<br />
Wenn e<strong>in</strong> neuer Papst gewählt<br />
wird, d<strong>an</strong>n ist <strong>der</strong> alte jedenfalls gestorben.“ Seien Sie <strong>in</strong> jedem Fall vorsichtig, wenn Sie die<br />
Formulierungen mit d<strong>an</strong>n und wenn benutzen.
3.2. AUSSAGEN, LOGIK 37<br />
Äquivalenzen kommen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik sehr häufig vor. Die Äquivalenz zweier Aussagen<br />
A und B beweist m<strong>an</strong> dabei so wie es von <strong>der</strong> obigen Formel suggeriert wird. Zunächst<br />
weist m<strong>an</strong> die Gültigkeit von A ⇒ B und d<strong>an</strong>ach zeigt m<strong>an</strong> die umgekehrte Richtung B ⇒ A.<br />
Vorsicht: Der Beweis e<strong>in</strong>er Äquivalenz ist erst d<strong>an</strong>n vollendet, wenn beide Implikationsrichtungern<br />
gezeigt s<strong>in</strong>d.<br />
Hat m<strong>an</strong> mehr als zwei Aussagen, von denen m<strong>an</strong> die Äquivalenz zeigen möchte, etwa<br />
A, B und C, so k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>en sogen<strong>an</strong>nten Zirkelschluss A ⇒ B, B ⇒ C, C ⇒ A<br />
durchführen, um die Äquivalenz <strong>der</strong> Aussagen sicher zu stellen. Vorsicht: Solche Zirkelschlüsse<br />
beweisen nur die Äquivalenz von Aussagen. Über <strong>der</strong>en Wahrheitswert wird durch<br />
solch e<strong>in</strong>en Beweis nichts bek<strong>an</strong>nt.<br />
Interess<strong>an</strong>t ist noch die Verne<strong>in</strong>ung e<strong>in</strong>er Äquivalenzaussage. Mit Hilfe <strong>der</strong> Wahrheitstabelle<br />
sehen wir nämlich ¬(p ⇐⇒ q) = p q, also ”<br />
p ist nicht äquivalent zu q“ ist<br />
gleichbedeutend mit ”<br />
entwe<strong>der</strong> p o<strong>der</strong> q“. Umgekehrt ist natürlich die Verne<strong>in</strong>ung e<strong>in</strong>er<br />
Entwe<strong>der</strong>-O<strong>der</strong>-Aussage e<strong>in</strong>e Äquivalenz.<br />
3.2.2. ∀. E<strong>in</strong> Großteil <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Theorien h<strong>an</strong>delt von Strukturen und Regeln.<br />
E<strong>in</strong> Beispiel <strong>für</strong> Regeln s<strong>in</strong>d etwa Rechengesetze, die <strong>für</strong> alle Objekte e<strong>in</strong>e bestimmten<br />
Gattung gelten. In diesem Fall verwenden wir <strong>das</strong> Zeichen ∀, den Allqu<strong>an</strong>tor.<br />
Die Formulierung ”<br />
∀x ∈ M :“ bedeutet ”<br />
Für alle x <strong>in</strong> M gilt. . .“.<br />
An<strong>der</strong>e Formulierung <strong>für</strong> dieselbe Zeichenfolge s<strong>in</strong>d etwa<br />
• Für jedes x <strong>in</strong> M gilt. . .<br />
• ∧ m ∈ M.<br />
• Sei m ∈ M beliebig. D<strong>an</strong>n gilt. . .<br />
• Für e<strong>in</strong>e beliebiges Element von M gilt. . .<br />
• Ist m ∈ M, d<strong>an</strong>n gilt. . .<br />
• Jedes Element aus M erfüllt. . .<br />
• Die Elemente von M erfüllen. . .<br />
Bezieht sich e<strong>in</strong> ∀ auf mehrere Variable auf e<strong>in</strong>mal, so verwendet m<strong>an</strong> auch oft je zwei“, ”<br />
je drei“, . . .<br />
”<br />
• Durch je zwei Punkte P und Q geht genau e<strong>in</strong>e Gerade.<br />
bedeutet nur Für jeden Punkt P und jeden Punkt Q ≠ P gibt es genau e<strong>in</strong>e. . .<br />
”<br />
Der Unterschied zwischen alle“ und jedes“ besteht meist dar<strong>in</strong>, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> bei jedes“<br />
” ” ”<br />
e<strong>in</strong> beliebiges Objekt im Blick hat:<br />
• Alle bijektiven Funktionen s<strong>in</strong>d <strong>in</strong>vertierbar.<br />
• Für jede bijektive Funktion f existiert die Umkehrfunktion, welche wir mit f −1<br />
bezeichnen.<br />
Merke: Um e<strong>in</strong>e Allaussage zu wi<strong>der</strong>legen genügt die Angabe e<strong>in</strong>es Gegenbeispieles.<br />
Behauptung: Alle ungeraden Zahlen s<strong>in</strong>d Primzahlen. Dies ist natürlich<br />
falsch, denn die Zahl 9 = 3 · 3 ist e<strong>in</strong>e ungerade Zahl, die ke<strong>in</strong>e Primzahl<br />
ist.<br />
3.2.3. ∃ und ∃!. Oftmals wird e<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong> Aussage nicht über alle Elemente<br />
e<strong>in</strong>er Menge getroffen, son<strong>der</strong>n es wird nur die Existenz e<strong>in</strong>es bestimmten Objektes behauptet.<br />
Für e<strong>in</strong> homogenes l<strong>in</strong>eares Gleichungssystem existiert e<strong>in</strong>e Lösung.<br />
Die Formulierung <strong>in</strong> Zeichen mit Hilfe des Existenzqu<strong>an</strong>tors ist ”<br />
∃x ∈ M :“ und <strong>in</strong><br />
Worten: ”<br />
Es existiert e<strong>in</strong> x <strong>in</strong> M mit. . .“. Diese Aussage bedeutet, <strong>das</strong>s es m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong><br />
Element <strong>in</strong> M gibt mit. . .
38 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Möchte m<strong>an</strong> <strong>in</strong> Zeichen ausdrücken <strong>das</strong>s es genau e<strong>in</strong> Element <strong>in</strong> M gibt mit. . . , so<br />
schreibt m<strong>an</strong> ”<br />
∃!x ∈ M :“.<br />
Auch <strong>für</strong> die Existenzaussage gibt es viele Formulierungen.<br />
• Es gibt e<strong>in</strong> x ∈ M mit. . .<br />
• ∨ x ∈ M :<br />
• Jede monotone beschränkte Folge reeller Zahlen hat e<strong>in</strong>en Häufungspunkt (d.h. es<br />
existiert e<strong>in</strong> Häufungspunkt)<br />
• Für e<strong>in</strong> geeignetes x ist log x ≤ x. Das bedeutet nichts <strong>an</strong><strong>der</strong>es als, <strong>das</strong>s solch e<strong>in</strong> x<br />
existiert.<br />
• Im allgeme<strong>in</strong>en gilt nicht, <strong>das</strong>s x 2 + x + 41 e<strong>in</strong>e Primzahl ist. (Das wie<strong>der</strong>um heißt,<br />
<strong>das</strong>s e<strong>in</strong> x existiert, so<strong>das</strong>s x 2 + x + 41 ke<strong>in</strong>e Primzahl ist.)<br />
WICHTIG: Die Verne<strong>in</strong>ung e<strong>in</strong>er Existenzaussage ist e<strong>in</strong>e Allaussage und umgekehrt.<br />
• Die Verne<strong>in</strong>ung von ”<br />
Alle K<strong>in</strong><strong>der</strong> hassen die Schule“ ist ”<br />
Es gibt e<strong>in</strong> K<strong>in</strong>d, <strong>das</strong> die<br />
Schule nicht hasst“.<br />
• Die Verne<strong>in</strong>ung von ”<br />
Es gibt e<strong>in</strong>en klugen Assistenten“ ist ”<br />
Alle Assistenten s<strong>in</strong>d<br />
dumm.“<br />
In Zeichen ausgedrückt, gilt <strong>für</strong> die Verne<strong>in</strong>ungen:<br />
¬∀x ∈ M : A(x) entspricht ∃x ∈ M : ¬A(x),<br />
wenn A e<strong>in</strong>e Aussage über Elemente von M ist, etwa A(x) = (x < 7). Für den Existenzqu<strong>an</strong>tor<br />
gilt <strong>an</strong>aloges:<br />
¬∃x ∈ M : A(x) entspricht ∀x ∈ M : ¬A(x).<br />
ACHTUNG: Die Verne<strong>in</strong>ung e<strong>in</strong>er Existiert-Genau-E<strong>in</strong>-Aussage ist ke<strong>in</strong>e Allaussage! M<strong>an</strong><br />
muss komplizierter formulieren. Die Verne<strong>in</strong>ung von ”<br />
Ich habe genau e<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong>.“ ist am<br />
kürzesten formuliert als ”<br />
Ich habe nicht genau e<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong>.“ Möchte m<strong>an</strong> <strong>das</strong> ”<br />
nicht“ zur<br />
Aussage beför<strong>der</strong>n, d<strong>an</strong>n müsste m<strong>an</strong> mit e<strong>in</strong>er Fallunterscheidung formulieren: ”<br />
Ich habe<br />
ke<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong> o<strong>der</strong> mehr als e<strong>in</strong>en Bru<strong>der</strong>.“<br />
3.2.4. ∀∃ o<strong>der</strong> ∃∀? Seien Sie vorsichtig, wenn mehr als e<strong>in</strong> Qu<strong>an</strong>tor ∀ o<strong>der</strong> ∃ <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
Satz vorkommt. Dabei kommt es nämlich wesentlich auf die Reihenfolge <strong>an</strong>.<br />
Beispiel 3.2.7. Sei M die Menge aller Männer und F die Menge aller Frauen. Die<br />
Aussage h(x, y) sei ”<br />
x ist verliebt <strong>in</strong> y“. Unter diesen Voraussetzungen machen Sie sich<br />
die Bedeutung <strong>der</strong> beiden Aussagen klar. D<strong>an</strong>ach werden Sie immer auf die Reihenfolge <strong>der</strong><br />
Qu<strong>an</strong>toren achten.<br />
(1) ∀m ∈ M : ∃f ∈ F : h(m, f).<br />
(2) ∃f ∈ F : ∀m ∈ M : h(m, f).<br />
Mitunter ist es aus <strong>der</strong> Formulierung nur schwer zu erkennen, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> ∃∀ o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> ∀∃<br />
versteckt ist. D<strong>an</strong>n ist es beson<strong>der</strong>s wichtig, die Formulierung sehr l<strong>an</strong>ge zu prüfen und<br />
eventuell auch formalisiert noch e<strong>in</strong>mal aufzuschreiben.<br />
• ”<br />
Der Wert von y = f(x) ist unabhängig von <strong>der</strong> Wahl von x“ ist gleichbedeutend<br />
mit ∃y : ∀x : f(x) = y.<br />
3.3. Mengen<br />
Mengen s<strong>in</strong>d die erste <strong>mathematische</strong> Struktur, die wir e<strong>in</strong>führen wollen. An diesem<br />
Punkt stoßen wir zum ersten Mal auf dieses weitere Grundpr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Mathematik, <strong>der</strong><br />
Def<strong>in</strong>ition und Untersuchung von Strukturen.
3.3. MENGEN 39<br />
E<strong>in</strong> Großteil <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Theorien ist darauf aufgebaut, Objekte mit bestimmten<br />
Eigenschaften und <strong>der</strong>en Beziehungen untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> zu untersuchen. Strukturen können<br />
neben e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> existieren o<strong>der</strong> aber auf e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> aufbauen, d.h. sie s<strong>in</strong>d Spezialisierungen<br />
o<strong>der</strong> Komb<strong>in</strong>ationen von bereits bestehenden Strukturen.<br />
Die Basisstruktur <strong>für</strong> die meisten Gebiete <strong>der</strong> Mathematik ist diejenige <strong>der</strong> Mengen und<br />
Abbildungen, h<strong>in</strong>zu kommen noch Relationen.<br />
3.3.1. Naive Mengenlehre. Bevor wir <strong>in</strong> Abschnitt 3.4.1 kurz e<strong>in</strong>en mathematisch<br />
adäquaten Zug<strong>an</strong>g zur Mengenlehre skizzieren, wollen wir uns zuerst, aus Gründen <strong>der</strong> Motivation<br />
und des besseren Verständnisses, auf den Zug<strong>an</strong>g von Georg C<strong>an</strong>tor zurückziehen,<br />
den dieser gegen Ende des 19. Jahrhun<strong>der</strong>ts erstmals formuliert hat:<br />
Unter e<strong>in</strong>er Menge verstehen wir jede Zusammenfassung S von bestimmten<br />
wohlunterschiedenen Objekten unserer Anschauung o<strong>der</strong> unseres Denkens<br />
(welche die Elemente von S gen<strong>an</strong>nt werden) zu e<strong>in</strong>em G<strong>an</strong>zen.<br />
Vorstellen k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sich e<strong>in</strong>e Menge gewissermaßen als e<strong>in</strong>en Sack. Die Elemente s<strong>in</strong>d<br />
die Gegenstände, die sich <strong>in</strong> dem Sack bef<strong>in</strong>den. Natürlich können Mengen <strong>an</strong><strong>der</strong>e Mengen<br />
enthalten so, wie sich auch weitere Säcke <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es Sackes bef<strong>in</strong>den können.<br />
Beispiel 3.3.1. Bilden k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> etwa die folgenden Mengen.<br />
• Die Menge aller Studenten im Hörsaal.<br />
• Die Menge <strong>der</strong> natürlichen Zahlen.<br />
• Die Menge <strong>der</strong> Lösungen e<strong>in</strong>er Ungleichung.<br />
• Die leere Menge ( ”<br />
e<strong>in</strong> leerer Sack“).<br />
Der Gebrauch des bestimmten Artikels ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik äußerst e<strong>in</strong>geschränkt. Es<br />
gibt e<strong>in</strong>e feste Regel, die nie gebrochen werden darf.<br />
Der bestimmte Artikel darf nur d<strong>an</strong>n verwendet werden, wenn es<br />
klar ist, <strong>das</strong>s <strong>das</strong> fragliche Objekt e<strong>in</strong>deutig bestimmt ist.<br />
So ist es unzulässig zu formulieren<br />
• . . . die Matrix, die e<strong>in</strong>er l<strong>in</strong>eare Abbildung f entspricht. . . (denn sie ist nicht e<strong>in</strong>deutig).<br />
• . . . die Basis £ des 3 .<br />
• . . . <strong>der</strong> Teiler von 6 (denn es gibt 1, 2, 3 und 6).<br />
Richtig wäre es dagegen zu sagen:<br />
• Sei n die kle<strong>in</strong>ste natürliche Zahl mit . . .<br />
• . . . die leere Menge.<br />
• . . . die Menge <strong>der</strong> natürlichen/g<strong>an</strong>zen/rationalen/reellen Zahlen.<br />
Bevor wir weiter <strong>in</strong> den Begriff ”<br />
Menge“ e<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gen, e<strong>in</strong> kurzer Blick auf die Verg<strong>an</strong>genheit,<br />
denn die Geschichte <strong>der</strong> Mengenlehre unterscheidet sich grundlegend von <strong>der</strong> fast aller<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>en Gebiete <strong>der</strong> Mathematik, wie etwa <strong>in</strong> [O’Connor, Robertson 1996] dargestellt.<br />
Üblicherweise geht die <strong>mathematische</strong> Entwicklung verschlungene Wege. Ihre Theorien<br />
werden über Jahrhun<strong>der</strong>te h<strong>in</strong>weg von mitunter konkurrierenden Schulen von Mathematikern<br />
gepflegt und weiterentwickelt. Plötzlich ist die Theorie <strong>an</strong> e<strong>in</strong>em Punkt <strong>an</strong>gel<strong>an</strong>gt, <strong>an</strong> dem<br />
oftmals mehrere Mathematiker gleichzeitig, e<strong>in</strong>en Geistesblitz haben und e<strong>in</strong> bedeutendes<br />
Resultat entdeckt wird.<br />
Die Mengenlehre steht dem vollständig entgegen. Bis auf wenige zusätzliche Arbeit ist<br />
sie die Entwicklung e<strong>in</strong>es e<strong>in</strong>zigen M<strong>an</strong>nes, Georg C<strong>an</strong>tor.<br />
Die Unendlichkeit hat die Philosophie (und damit die Mathematik) jedenfalls seit Zeno<br />
von Elea, also seit etwa 450 v.Chr. beschäftigt. Später haben sich bedeutende Philosophen,<br />
unter <strong>an</strong><strong>der</strong>en Aristoteles (384–322 v.Chr.), Descartes (1596–1650), Berkeley (1685–1753),
40 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Abbildung 3.3. Georg C<strong>an</strong>tor (1845–1918)<br />
Leibniz (1646–1716), aber auch Albert von Sachsen (1316-1390), <strong>der</strong> die Volum<strong>in</strong>a unendlicher<br />
Mengen (Strahlen, Raum,. . . ) verglichen hat, mit diesem Problem ause<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>gesetzt.<br />
Erst Mitte des 19. Jahrhun<strong>der</strong>ts beg<strong>an</strong>n l<strong>an</strong>gsam die Idee <strong>der</strong> Menge <strong>in</strong> die Köpfe <strong>der</strong><br />
Mathematiker E<strong>in</strong>zug zu halten. So hat etwa <strong>der</strong> tschechische Mathematiker Bernard Bolz<strong>an</strong>o<br />
(1781–1848) e<strong>in</strong> Jahr vor se<strong>in</strong>em Tod folgen<strong>der</strong>maßen formuliert:<br />
. . . e<strong>in</strong>e Verkörperung <strong>der</strong> Idee o<strong>der</strong> des Konzeptes, <strong>das</strong> wir erhalten, wenn<br />
wir die Anordnung se<strong>in</strong>er Teile <strong>für</strong> gleichgültig erachten.<br />
Der wirkliche Durchbruch <strong>der</strong> Mengenlehre kam aber erst mit Georg C<strong>an</strong>tor, <strong>der</strong> nach e<strong>in</strong>em<br />
Besuch bei Richard Dedek<strong>in</strong>d (1831–1916) und darauf folgen<strong>der</strong> Korrespondenz im Jahr 1874<br />
e<strong>in</strong>e wissenschaftliche Arbeit im Crelle–Journal publizierte, <strong>in</strong> <strong>der</strong> er Mengen e<strong>in</strong>führte und<br />
<strong>das</strong> Konzept verschiedener Klassen von Unendlichkeit e<strong>in</strong>führte.<br />
Im Jahr 1878 versuchte er e<strong>in</strong>e weitere Publikation im Crelle–Journal, doch er stieß auf<br />
heftigen Wi<strong>der</strong>st<strong>an</strong>d <strong>der</strong> damals Ton <strong>an</strong>gebenden <strong>mathematische</strong>n Schule <strong>der</strong> Konstruktivisten<br />
mit ihrem führenden Kopf Kronecker (1823–1891), die ke<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong>n Sachverhalte<br />
akzeptieren wollten, die sich nicht <strong>in</strong> endlich vielen Schritten aus den natürlichen Zahlen<br />
konstruieren ließen. Erst nach massiver Intervention von Weierstrass (1815–1897) wurde<br />
die Arbeit schließlich akzeptiert. Das war <strong>der</strong> Beg<strong>in</strong>n e<strong>in</strong>es l<strong>an</strong>gen Kampfes <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong><br />
Mathematik um ihre philosophischen und später auch logischen Grundlagen. Dieser Kampf<br />
wurde nicht nur auf <strong>mathematische</strong>r son<strong>der</strong>n auch auf menschlicher Ebene ausgetragen, so<br />
blockierten etwa Kronecker und Schwarz C<strong>an</strong>tors Stellenbewerbungen.<br />
Von 1879 bis 1884 veröffentlichte C<strong>an</strong>tor <strong>in</strong> den Mathematischen Annalen e<strong>in</strong>e sechsteilige<br />
Abh<strong>an</strong>dlung über die Mengenlehre, die zu großen Kontroversen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n<br />
Welt führte. E<strong>in</strong>ige Mathematiker hielten sich <strong>an</strong> Kronecker, doch <strong>an</strong><strong>der</strong>e folgten C<strong>an</strong>tors<br />
Weg. So führte etwa Giuseppe Pe<strong>an</strong>o (1858–1932), nach se<strong>in</strong>em berühmten Satz über Differentialgleichungen<br />
(1886) und <strong>der</strong> ersten Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>es Vektorraumes (1888) <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Buch<br />
und vor se<strong>in</strong>en berühmten Pe<strong>an</strong>o-Kurven (1890), neben <strong>der</strong> Axiomatisierung <strong>der</strong> natürlichen<br />
Zahlen 1889 auch <strong>das</strong> Zeichen ∈ <strong>in</strong> die Mengenlehre e<strong>in</strong>.<br />
Im Jahr 1897 f<strong>an</strong>d Cesare Burali-Forti (1861-1931) <strong>das</strong> erste Paradoxon <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mengenlehre,<br />
obwohl es durch e<strong>in</strong>e fehlerhaft verst<strong>an</strong>dene Def<strong>in</strong>ition des Begriffes ”<br />
wohlgeordnete
3.3. MENGEN 41<br />
Menge“ entwertet, wenn auch nicht ausgelöscht wurde. Der erste persönliche Erfolg <strong>für</strong> C<strong>an</strong>tor<br />
ereignete sich im selben Jahr auf dem Mathematiker-Kongress <strong>in</strong> Zürich, auf dem zum<br />
ersten Mal C<strong>an</strong>tors Werk positiv aufgenommen, ja von m<strong>an</strong>chen <strong>in</strong> höchsten Tönen gepriesen<br />
wurde.<br />
Nachdem C<strong>an</strong>tor selbst 1899 e<strong>in</strong> weiteres Paradoxon gefunden hatte, entdeckte schließlich<br />
Bertr<strong>an</strong>d Russell (1872-1970) im Jahre 1902 <strong>das</strong> ultimate Paradoxon (heute Russellsche<br />
Ant<strong>in</strong>omie), <strong>in</strong>dem er die Menge A aller Mengen betrachtete, die sich selbst nicht als Element<br />
enthalten. Die dar<strong>an</strong> <strong>an</strong>schließende Frage: ”<br />
Ist A e<strong>in</strong> Element von sich selbst?“ führt zu e<strong>in</strong>em<br />
Paradoxon, <strong>das</strong> die neuen Grundlagen <strong>der</strong> Mathematik <strong>in</strong> ihren Grundfesten erschütterte,<br />
denn die Konstruktion <strong>der</strong> Menge selbst führt zu dieser Ant<strong>in</strong>omie.<br />
Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Mengenlehre schon durchgesetzt. Sowohl die Analysis<br />
baute darauf auf als auch Teile <strong>der</strong> Algebra. Die Maßtheorie und <strong>das</strong> mengentheoretische<br />
Integral waren 1901 bzw. 1902 von Henri Lebesgue (1875–1941) erfunden worden. Daher<br />
wurde die Mengenlehre nicht gleich wie<strong>der</strong> verworfen son<strong>der</strong>n e<strong>in</strong>e fieberhafte Suche startete<br />
nach e<strong>in</strong>er ”<br />
Rettung“ <strong>der</strong> Mengenlehre ohne ihre wichtigsten Eigenschaften aufgeben zu<br />
müssen.<br />
Russell selbst versuchte, se<strong>in</strong> Paradoxon aus <strong>der</strong> Mathematik ”<br />
wegzudef<strong>in</strong>ieren“. In se<strong>in</strong>em<br />
sehr e<strong>in</strong>flussreichen Werk Pr<strong>in</strong>cipia Mathematica, <strong>das</strong> er mit Whitehead zusammen<br />
schrieb, stellte er e<strong>in</strong>e Lösung mit Hilfe <strong>der</strong> Theory of types vor, doch diese wurde von den<br />
meisten nicht als befriedigend erachtet.<br />
Der erste, <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Lösung <strong>für</strong> <strong>das</strong> Paradoxien-Problem f<strong>an</strong>d war Ernst Zermelo (1871–<br />
1953), <strong>der</strong> im Jahr 1908 <strong>das</strong> erste befriedigende Axiomensystem <strong>für</strong> die Mengenlehre publizierte,<br />
<strong>das</strong> im Jahr 1922 von Adolf Fraenkel (1891–1965) nochmals verbessert wurde, und<br />
<strong>das</strong> heute aus zehn Axiomen bestehend <strong>für</strong> viele die Grundlage <strong>der</strong> Mathematik darstellt<br />
(siehe Abschnitt 3.4.1). Auch <strong>an</strong><strong>der</strong>e berühmte Mathematiker wie Kurt Gödel (1906–1978),<br />
Paul Bernays (1888–1977) und John von Neum<strong>an</strong>n (1903–1957) axiomatisierten die Mengenlehre<br />
auf unterschiedliche Weisen, und welches <strong>der</strong> Axiomensysteme die Grundlage bilden<br />
soll, wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> heutigen Zeit <strong>für</strong> die meisten Mathematiker als ”<br />
re<strong>in</strong>e Geschmackssache“<br />
<strong>an</strong>gesehen.<br />
Um die Jahrhun<strong>der</strong>twende strebten noch viele Mathematiker allen vor<strong>an</strong> David Hilbert<br />
(1862–1943) und Gottlob Frege (1848–1925) d<strong>an</strong>ach die Mathematik (und auch die Physik)<br />
vollständig auf die formale Logik zu reduzieren. Hilbert erwähnte <strong>das</strong> noch 1900 <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er<br />
berühmten Rede auf dem Internationalen Mathematiker–Kongresses <strong>in</strong> Paris. Für dieses<br />
Ziel war e<strong>in</strong>e möglichst umfassende und wi<strong>der</strong>spruchsfreie Axiomatisierung <strong>der</strong> Mengenlehre<br />
wesentlich. Nach Gödels ω–Unvollständigkeitssatz im Jahr 1931, <strong>der</strong> die Grenzen jedes axiomatischen<br />
Systems aufzeigte, wurden alle diese Versuche zerschlagen und weitere Ansätze<br />
bereits im Keim erstickt.<br />
Geblieben von dieser Entwicklung ist <strong>das</strong> heutige Bestreben <strong>der</strong> Mathematiker nach exaktem<br />
und logischem Vorgehen beim Entwickeln und Beweisen von <strong>mathematische</strong>n Theorien,<br />
beim Aufbau des <strong>mathematische</strong>n Theoriegebäudes. Jetzt ist es wichtig, Grundlagen zu haben,<br />
die die mathematisch exakte Beh<strong>an</strong>dlung <strong>der</strong> Theorie erlauben. Nachdem alle heute<br />
gängigen Axiomensysteme <strong>das</strong> bieten, ist die genaue Auswahl e<strong>in</strong>es bestimmten Systems<br />
den meisten Mathematikern nicht mehr so wichtig.<br />
Nach diesem historischen Überblick wollen wir tiefer <strong>in</strong> die Mengenlehre e<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gen und<br />
zunächst wie C<strong>an</strong>tor naiv beg<strong>in</strong>nen.<br />
Wollen wir über Mengen sprechen, so müssen wir zuerst erklären, wie wir sie beschreiben<br />
können. Grundsätzlich stehen uns zwei Methoden zur Verfügung.
42 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Aufzählen: Wir können alle Elemente e<strong>in</strong>er endlichen Menge <strong>an</strong>geben, um die Menge<br />
zu def<strong>in</strong>ieren. So könnten wir etwa durch<br />
M := {0, 2, 5, 9}<br />
die Menge M e<strong>in</strong>führen. Sie enthält als Elemente die vier Zahlen 0, 2, 5 und 9.<br />
Das Zeichen := bedeutet, <strong>das</strong>s wir gerade etwas def<strong>in</strong>ieren, <strong>in</strong> diesem Fall geben<br />
wir <strong>der</strong> Menge <strong>der</strong> Zahlen 0, 2, 5 und 9 den Namen M. Merke: Der Doppelpunkt<br />
im Zeichen := (o<strong>der</strong> =:) steht immer auf <strong>der</strong> Seite des Gleichheitszeichens, auf <strong>der</strong><br />
<strong>der</strong> zu def<strong>in</strong>ierende Begriff steht.<br />
Grundsätzlich dienen Def<strong>in</strong>itionen dazu, neue Abkürzungen e<strong>in</strong>zuführen. M<strong>an</strong><br />
k<strong>an</strong>n je<strong>der</strong>zeit den def<strong>in</strong>ierten Begriff durch die def<strong>in</strong>ierende Beschreibung ersetzen,<br />
und m<strong>an</strong>chmal muss m<strong>an</strong> <strong>das</strong> auch tun, speziell <strong>in</strong> Beweisen.<br />
Den S<strong>in</strong>n von Def<strong>in</strong>itionen re<strong>in</strong> darauf zu reduzieren, <strong>das</strong>s sie Abkürzungen<br />
e<strong>in</strong>führen, heißt aber, die Bedeutung von Def<strong>in</strong>itionen stark unterzubewerten. E<strong>in</strong>e<br />
Def<strong>in</strong>ition ist e<strong>in</strong> schöpferischer Akt! Es ist e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> bedeutendsten Schritte <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Entwicklung e<strong>in</strong>er <strong>mathematische</strong>n Theorie, die wichtigen Objekte zu erkennen und<br />
ihnen Namen zu geben. Dadurch rücken sie <strong>in</strong>s Zentrum des Interesses, es werden<br />
neue Begriffe geschaffen, und m<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n beg<strong>in</strong>nen, sich mit diesen neuen Begriffen<br />
ause<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>zusetzen.<br />
In diesem Zusammenh<strong>an</strong>g ist noch e<strong>in</strong>mal wichtig heraus zu streichen, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e<br />
Def<strong>in</strong>ition niemals falsch se<strong>in</strong> k<strong>an</strong>n (abgesehen von Prüfungen, wenn bereits bestehende<br />
Def<strong>in</strong>itionen falsch rezitiert werden), sie k<strong>an</strong>n allerd<strong>in</strong>gs s<strong>in</strong>nlos se<strong>in</strong>.<br />
Scheuen Sie nicht davor zurück, bei <strong>der</strong> Lösung Ihrer Aufgaben, wichtigen Objekten<br />
eigene Namen zu geben z.B. ”<br />
starke“ Matrizen, ”<br />
coole“ Elemente,. . . .<br />
Viele Def<strong>in</strong>itionen verwenden nicht nur verbale Ausdrücke son<strong>der</strong>n auch <strong>mathematische</strong><br />
Symbolik. Z.B. Die Menge P aller Primzahlen könnte symbolisch def<strong>in</strong>iert<br />
werden als<br />
P := {n ∈ ¡ |n > 1, ∀m ∈ ¡ : (m|n =⇒ (m = 1 ∨ m = n))}.<br />
Die Präzision <strong>der</strong> Beschreibung hängt aber nicht davon ab, wie wenige Worte m<strong>an</strong><br />
verwendet. M<strong>an</strong> sollte nur stets <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage se<strong>in</strong>, zwischen verbaler und formaler<br />
Beschreibung h<strong>in</strong> und her zu schalten. Es ist wichtig, schon zu Beg<strong>in</strong>n die Fähigkeit<br />
zu tra<strong>in</strong>ieren, die e<strong>in</strong>e Beschreibung <strong>in</strong> die <strong>an</strong><strong>der</strong>e zu verw<strong>an</strong>deln.<br />
Beschreiben: Gemäß <strong>der</strong> Idee von C<strong>an</strong>tor können wir die Eigenschaften <strong>der</strong> Elemente<br />
e<strong>in</strong>er Menge <strong>an</strong>geben und sie dadurch def<strong>in</strong>ieren. Dies läßt sich auch auf unendliche<br />
Mengen <strong>an</strong>wenden. Die Menge P aller Primzahlen ließe sich etwa def<strong>in</strong>ieren durch<br />
P := {p ∈ | p > 1 ∧ ∀m ∈ : (m|p =⇒ (m = 1 ∨ m = p))}.<br />
Genauer bedeutet <strong>das</strong>, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> P als die Menge all jener Elemente p von def<strong>in</strong>iert,<br />
die größer 1 s<strong>in</strong>d und folgende Eigenschaft besitzen: Jedes weitere Element<br />
m von , <strong>das</strong> p teilt, ist entwe<strong>der</strong> 1 o<strong>der</strong> p selbst. An<strong>der</strong>s ausgedrückt besitzt p nur<br />
die trivialen Teiler 1 und p.<br />
M<strong>an</strong> muss auch nicht re<strong>in</strong> symbolisch formulieren. E<strong>in</strong>e ählich gute Def<strong>in</strong>ition<br />
wäre<br />
P := {p ∈ | p > 1 und p besitzt nur die Teiler 1 und p}<br />
Symbole im Text erhöhen dessen Präzision, doch im selben Maße verr<strong>in</strong>gern sie se<strong>in</strong>e Lesbarkeit.<br />
Geht m<strong>an</strong> zu sorglos mit ihnen um, so k<strong>an</strong>n <strong>der</strong> Text sogar mehrdeutig werden.<br />
Beherzigt m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Grundregel und e<strong>in</strong>e Anregung, so verbessert <strong>das</strong> die Lage sofort.<br />
• E<strong>in</strong> Satz sollte nicht mit e<strong>in</strong>em Symbol beg<strong>in</strong>nen. M<strong>an</strong> formuliert den Satz
3.3. MENGEN 43<br />
bezeichnet die Menge <strong>der</strong> reellen Zahlen.<br />
£<br />
besser um<br />
Die Menge <strong>der</strong> reellen Zahlen bezeichnen wir £ mit .<br />
• Axiom von Siegel (nach dem Mathematiker C.L. Siegel(1896–1981)): Zwei <strong>mathematische</strong><br />
Symbole (die sich nicht zu e<strong>in</strong>em größeren Symbolkomplex ergänzen)<br />
müssen stets durch m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong> Wort getrennt se<strong>in</strong>!<br />
E<strong>in</strong>e 10–elementige Menge hat genau 45 2–elementige Teilmengen.<br />
könnte bei engerem Druck fehl<strong>in</strong>terpretiert werden. Besser wäre etwa die Formulierung<br />
Die Anzahl <strong>der</strong> 2–elementigen Teilmengen e<strong>in</strong>er 10–elementigen Menge ist<br />
45.<br />
Verwenden Sie die Symbole sorgfältig und behalten sie ihre <strong>mathematische</strong> Bedeutung<br />
stets im Auge. Konzentrieren Sie die Symbolik nicht zu sehr. Lassen Sie immer genug <strong>an</strong><br />
Erklärungen übrig, <strong>das</strong>s <strong>der</strong> Text <strong>für</strong> den Leser flüssig zu lesen und verständlich bleibt.<br />
Verwenden Sie niemals <strong>mathematische</strong> Symbole als Abkürzungen <strong>für</strong> Worte<br />
im Text.<br />
Sei V e<strong>in</strong> Vektorraum + endlich dimensional.<br />
Die wesentliche Beziehung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mengenlehre ist diejenige zwischen den Mengen und<br />
<strong>der</strong>en Elementen. Sie wird durch <strong>das</strong> Symbol ∈ ausgedrückt.<br />
Beispiel 3.3.2.<br />
• Es gilt 2 ∈ {2, 4, 7, 9},<br />
• weiters haben wir 42 ∈ .<br />
• Steht die Menge l<strong>in</strong>ks vom Element, so dreht m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Zeichen ∈ e<strong>in</strong>fach um: £ ∋ π.<br />
• Wollen wir ausdrücken, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Objekt nicht Element e<strong>in</strong>er bestimmten Menge ist,<br />
so streichen wir <strong>das</strong> Zeichen ∈ e<strong>in</strong>fach durch, wie <strong>in</strong> 1 2 /∈ .<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.3. Zwei Mengen gelten genau d<strong>an</strong>n als gleich, wenn sie dieselben Elemente<br />
haben. In Symbolen notiert:<br />
A = B genau d<strong>an</strong>n wenn ∀x : (x ∈ A ⇐⇒ x ∈ B).<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.4. Die leere Menge ∅ ist def<strong>in</strong>iert durch<br />
∅ := {x | x ≠ x}.<br />
Sie ist die Menge, die ke<strong>in</strong> Element enthält. In <strong>der</strong> Mathematik ist <strong>das</strong> Symbol ∅ üblich, auch<br />
wenn mitunter {} als Bezeichnung <strong>für</strong> die leere Menge verwendet wird.<br />
WICHTIG. Beachten Sie, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Element <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Menge enthalten ist, o<strong>der</strong> eben nicht.<br />
E<strong>in</strong> und <strong>das</strong>selbe Element k<strong>an</strong>n nicht mehrfach <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Menge auftreten. E<strong>in</strong>e Menge ist<br />
e<strong>in</strong>e Ansammlung verschiedener Objekte!<br />
3.3.1.1. Teilmengen. Bevor wir untersuchen, wie wir Mengen mit e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> verknüpfen<br />
können, betrachten wir <strong>das</strong> e<strong>in</strong>fachste Konzept, <strong>das</strong> von Teilmengen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.5. E<strong>in</strong>e Menge B heißt Teilmenge <strong>der</strong> Menge A, wenn B nur Elemente<br />
von A enthält. In <strong>der</strong> Sprache <strong>der</strong> Logik formuliert, bedeutet <strong>das</strong><br />
∀x : x ∈ B =⇒ x ∈ A,<br />
o<strong>der</strong> kürzer und etwas salopper<br />
∀x ∈ B : x ∈ A.<br />
Ist B Teilmenge von A, so schreiben wir<br />
Beispiel 3.3.6. Wir f<strong>in</strong>den etwa:<br />
B ⊆ A o<strong>der</strong> A ⊇ B.
44 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
• Die leere Menge ist Teilmenge je<strong>der</strong> Menge.<br />
• Jede Menge M ist ihre eigene Teilmenge. Die Menge M und ∅ heißen die trivialen<br />
Teilmengen von M.<br />
• Alle Teilmengen, die ungleich <strong>der</strong> Menge selbst s<strong>in</strong>d, nennt m<strong>an</strong> auch echte Teilmengen.<br />
Möchte m<strong>an</strong> betonen, <strong>das</strong>s B echte Teilmenge von A ist, so schreibt m<strong>an</strong><br />
meist<br />
B ⊂ A o<strong>der</strong> expliziter B A.<br />
• Alle Teilmengen von {1, 2, 3} s<strong>in</strong>d ∅, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3} und {1, 2, 3}.<br />
Zur Term<strong>in</strong>ologie: Ist B e<strong>in</strong>e Teilmenge von A, so nennt m<strong>an</strong> A e<strong>in</strong>e Obermenge von B.<br />
Die Teilmengenrelation entspricht, wie schon <strong>in</strong> <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition explizit gemacht wurde,<br />
<strong>der</strong> logischen Implikation ⇒. Daraus läßt sich auch sofort ableiten, wie m<strong>an</strong> Gleichheit von<br />
Mengen überprüfen k<strong>an</strong>n.<br />
Proposition 3.3.7. Zwei Mengen A und B s<strong>in</strong>d genau d<strong>an</strong>n gleich, wenn A ⊆ B und<br />
B ⊆ A.<br />
Beweis. Dieser Satz behauptet e<strong>in</strong>e Äquivalenz. Um diese zu beweisen, muss m<strong>an</strong> beide<br />
Implikationsrichtungen beweisen<br />
Schritt 1: ⇐. Zu zeigen ist, <strong>das</strong>s wenn A = B gilt, auch die beiden Enthalten-Relationen<br />
A ⊆ B und B ⊆ A gelten. Dies ist aber trivial, da A ⊆ A <strong>für</strong> jede Menge stimmt.<br />
Schritt 2: ⇒. Wir müssen zeigen, <strong>das</strong>s aus beiden Enthalten-Relationen schon die Gleichheit<br />
folgt. Gelten also A ⊆ B und B ⊆ A, so gilt x ∈ A =⇒ x ∈ B wegen A ⊆ B. Außerdem<br />
wissen wir x ∈ B =⇒ x ∈ A weil B ⊆ A erfüllt ist. Fassen wir die beiden Implikationen<br />
zusammen, erhalten wir <strong>für</strong> beliebiges x den Zusammenh<strong>an</strong>g x ∈ A ⇐⇒ x ∈ B. Das<br />
wie<strong>der</strong>um bedeutet laut Def<strong>in</strong>ition 3.3.3, <strong>das</strong>s A = B gilt.<br />
Nachdem wir beide Implikationen bewiesen haben, gilt die im Satz behauptete Äquivalenz.<br />
□<br />
3.3.1.2. Mengenoperationen. Wenn m<strong>an</strong> mehr als e<strong>in</strong>e Menge betrachtet, so k<strong>an</strong>n<br />
m<strong>an</strong> aus diesen Mengen weitere Mengen erzeugen. Die folgenden Mengenoperationen werden<br />
dabei st<strong>an</strong>dardmäßig verwendet:<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.8 (Vere<strong>in</strong>igung). Seien zwei Mengen A und B gegeben. Wir konstruieren<br />
e<strong>in</strong>e neue Menge aus allen Elementen von A und B. Diese Menge heißt Vere<strong>in</strong>igungsmenge<br />
A ∪ B von A und B, und <strong>in</strong> formalerer Schreibweise ist sie def<strong>in</strong>iert als<br />
A ∪ B := {x | x ∈ A ∨ x ∈ B}.<br />
Hier wurde also e<strong>in</strong>e Operation ∪ <strong>für</strong> Mengen def<strong>in</strong>iert, die Vere<strong>in</strong>igung.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n auch mehr als zwei Mengen vere<strong>in</strong>igen, gar beliebig viele. Sei A i , i ∈ I e<strong>in</strong>e<br />
Familie von Mengen. D<strong>an</strong>n ist<br />
⋃<br />
A i := {x | ∃i ∈ I : x ∈ A i }<br />
i∈I<br />
die Vere<strong>in</strong>igung aller A i . Die Indexmenge I k<strong>an</strong>n dabei beliebig groß se<strong>in</strong>. Das bedeutet, wir<br />
nehmen alle x die <strong>in</strong> wenigstens e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> Mengen A i liegen.<br />
Beispiel 3.3.9. Es gelten:<br />
• {1, 3, 6} ∪ {2, 6} = {1, 2, 3, 6},<br />
• M ∪ ∅ = M,<br />
• ⋃ n∈¦<br />
{−n, n} = ¡ .
3.3. MENGEN 45<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.10 (Durchschnitt). Seien wie<strong>der</strong> zwei Mengen A und B gegeben. Wir<br />
bezeichnen die Menge, die alle Elemente von A enthält, die auch <strong>in</strong> B enthalten s<strong>in</strong>d, mit<br />
A ∩ B und nennt sie Durchschnittsmenge von A und B. Sie ist def<strong>in</strong>iert durch<br />
A ∩ B := {x | x ∈ A ∧ x ∈ B}.<br />
Genau wie die Vere<strong>in</strong>igung k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch den Durchschnitt von mehr als zwei Mengen<br />
def<strong>in</strong>ieren. Sei wie<strong>der</strong> A i , i ∈ I e<strong>in</strong>e Familie von Mengen. D<strong>an</strong>n ist<br />
⋂<br />
A i := {x | ∀i ∈ I : x ∈ A i }<br />
i∈I<br />
<strong>der</strong> Durchschnitt aller A i . Wir nehmen alle jene Elemente auf, die <strong>in</strong> allen Mengen A i liegen.<br />
Haben zwei Mengen A und B leeren Durchschnitt (A ∩ B = ∅), so sagen wir A und B<br />
s<strong>in</strong>d disjunkt.<br />
S<strong>in</strong>d alle von uns betrachteten Mengen Teilmengen e<strong>in</strong>es Universums U, so können wir<br />
e<strong>in</strong>e weitere Def<strong>in</strong>ition h<strong>in</strong>zufügen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.11 (Komplement). Sei A e<strong>in</strong>e Teilmenge <strong>der</strong> Menge U. D<strong>an</strong>n def<strong>in</strong>ieren<br />
wir <strong>das</strong> Komplement ∁A von A (<strong>in</strong> U) durch die Beziehung<br />
∁A := {x ∈ U | x /∈ A}<br />
bzw. <strong>in</strong> <strong>der</strong> noch exakteren Formulierung<br />
∁A := {x | x ∈ U ∧ ¬(x ∈ A)}.<br />
H<strong>in</strong>weis: Beachten Sie, <strong>das</strong>s wir die Universalmenge nur zur Bildung des Komplements<br />
e<strong>in</strong>führen und verwenden. Alle Rechenoperationen und Rechenregeln, <strong>in</strong> denen ke<strong>in</strong> Komplement<br />
vorkommt, gelten unabhängig von <strong>der</strong> Existenz solch e<strong>in</strong>er Universalmenge. Ohne<br />
Universalmenge muss m<strong>an</strong> auf die Bildung des Komplements verzichten. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n es <strong>in</strong> den<br />
meisten Fällen durch die Mengendifferenz (siehe Def<strong>in</strong>ition 3.3.13) ersetzen. In diesem Fall<br />
muss m<strong>an</strong> aber die Rechenregeln geeignet <strong>an</strong>passen.<br />
Vergleichen wir die Def<strong>in</strong>itionen mit den logischen Operatoren, die wir <strong>in</strong> Abschnitt 3.1<br />
e<strong>in</strong>geführt haben, so erkennen wir rasch die Zusammenhänge. Die Vere<strong>in</strong>igung ∪ wird gewonnen<br />
durch logische ODER (∨) Verknüpfung <strong>der</strong> Elementbeziehung zu den zu vere<strong>in</strong>igenden<br />
Mengen. Der Durchschnitt entspricht <strong>der</strong> UND (∧) Verknüpfung, sowie die Bildung<br />
des Komplements <strong>der</strong> Negation (¬). Diese enge Verw<strong>an</strong>dtschaft zwischen den logischen Verknüpfungen<br />
und den Mengenoperationen hat als Konsequenz, <strong>das</strong>s die Mengenoperationen<br />
dieselben Rechengesetze erfüllen.
46 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Theorem 3.3.12. Die mengentheoretischen Operationen ∪, ∩ und ∁ erfüllen die folgenden<br />
Operationen, wobei U <strong>das</strong> <strong>für</strong> die Komplementbildung notwendige Universum bezeichne.<br />
Kommutativgesetze:<br />
Assoziativgesetze:<br />
Distributivgesetze:<br />
Verschmelzungsgesetze:<br />
Idempotenzgesetze:<br />
Neutralitätsgesetze:<br />
Absorptionsgesetze:<br />
Komplementaritätsgesetze:<br />
Gesetz des doppelten Komplements:<br />
Gesetze von DE MORGAN:<br />
A ∪ B = B ∪ A<br />
A ∪ (B ∪ C) = (A ∪ B) ∪ C<br />
A ∪ (B ∩ C) =<br />
A ∪ (B ∩ A) = A<br />
(A ∪ B) ∩ (A ∪ C)<br />
A ∪ A = A<br />
A ∪ ∅ = A<br />
A ∪ U = U<br />
A ∪ ∁A = U<br />
∁∅ = U<br />
∁U = ∅<br />
∁(∁A) = A<br />
∁(A ∪ B) = ∁A ∩ ∁B<br />
A ∩ B = B ∩ A<br />
A ∩ (B ∩ C) = (A ∩ B) ∩ C<br />
A ∩ (B ∪ C) =<br />
A ∩ (B ∪ A) = A<br />
(A ∩ B) ∪ (A ∩ C)<br />
A ∩ A = A<br />
A ∩ U = A<br />
A ∩ ∅ = ∅<br />
A ∩ ∁A = ∅<br />
∁(A ∩ B) = ∁A ∪ ∁B<br />
Beweis. Wir beweisen e<strong>in</strong> Distributivgesetz. Alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Behauptungen folgen <strong>an</strong>alog.<br />
Zu zeigen ist: A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C). Wir wissen,<br />
x ∈ A ∩ (B ∪ C) ⇐⇒ x ∈ A ∧ x ∈ B ∪ C ⇐⇒<br />
⇐⇒ x ∈ A ∧ (x ∈ B ∨ x ∈ C) ⇐⇒ wegen Theorem 3.1.3<br />
⇐⇒ (x ∈ A ∧ x ∈ B) ∨ (x ∈ A ∧ x ∈ C) ⇐⇒<br />
⇐⇒ x ∈ A ∩ B ∨ x ∈ A ∩ C ⇐⇒ x ∈ (A ∩ B) ∪ (A ∩ C).<br />
Außer <strong>der</strong> explizit <strong>an</strong>gegebenen Äquivalenz gelten alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en Zeilen wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>itionen<br />
von ∪ und ∩. Die behauptete Aussage folgt schließlich aus Def<strong>in</strong>ition 3.3.3.<br />
□<br />
E<strong>in</strong>e weitere Mengenoperation, die mit <strong>der</strong> Komplementbildung ”<br />
verw<strong>an</strong>dt“ ist, ist die<br />
Differenz von Mengen<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.13 (Mengendifferenz). Seien A und B zwei Mengen. Die Menge A \ B<br />
ist die Menge aller Elemente von A, die nicht <strong>in</strong> B s<strong>in</strong>d. Es gilt also<br />
A \ B := {x ∈ A | x /∈ B}.<br />
Die Komplementbildung ∁A könnte m<strong>an</strong> mit Hilfe dieser Operation und dem Universum U<br />
kurz beschreiben als<br />
∁A = U \ A.<br />
Beispiel 3.3.14. Seien A = {2, 3, 6} und B = {2, 5, 7}. D<strong>an</strong>n ist A \ B = {3, 6}.<br />
Die symmetrische Mengendifferenz ist die letzte Grundoperation, die wir <strong>für</strong> Mengen<br />
e<strong>in</strong>führen wollen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.15 (Symmetrische Differenz). Es seien wie<strong>der</strong> zwei Mengen A und B<br />
gegeben. Def<strong>in</strong>ieren wir die Menge A △ B als diejenigen Elemente von A und B, die nicht<br />
<strong>in</strong> beiden Mengen liegen<br />
A △ B := (A \ B) ∪ (B \ A) = (A ∪ B) \ (A ∩ B).<br />
Beispiel 3.3.16. Seien A = {2, 3, 6} und B = {2, 5, 7}. D<strong>an</strong>n ist A △ B = {3, 6, 5, 7}.
3.3. MENGEN 47<br />
3.3.1.3. Potenzmenge, Produktmenge. Kommen wir nun, nachdem wir Operationen<br />
def<strong>in</strong>iert haben, um aus bestehenden Mengen neue Mengen zu def<strong>in</strong>ieren, zum nächsten<br />
Schritt. Zunächst verwenden wir die Tatsache, <strong>das</strong>s Mengen wie<strong>der</strong> Mengen enthalten dürfen,<br />
um die Potenzmenge e<strong>in</strong>er Menge zu def<strong>in</strong>ieren.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.17 (Potenzmenge). Sei M e<strong>in</strong>e Menge. Die §<br />
Potenzmenge<br />
ist def<strong>in</strong>iert als die Menge aller Teilmengen von M.<br />
Beispiel 3.3.18. Die Potenzmenge von {1, 2, 3} ist<br />
M von M<br />
§ {1, 2, 3} = { ∅, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3}, {1, 2, 3} } .<br />
Die Potenzmenge <strong>der</strong> leeren Menge ist nicht die leere Menge son<strong>der</strong>n e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>elementige<br />
Menge, die nur die leere Menge enthält. (Also e<strong>in</strong> Sack, <strong>der</strong> nur e<strong>in</strong>en leeren Sack enthält!)<br />
§ ∅ = {∅}.<br />
Allgeme<strong>in</strong> bezeichnet m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Menge, die wie<strong>der</strong> Mengen enthält als Mengensystem.<br />
S<strong>in</strong>d schließlich zwei Mengen A und B gegeben, so k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> die Produktmenge A × B<br />
bilden. Zu diesem Zweck formen wir aus den Elementen a von A und b von B geordnete<br />
Paare (a, b). In diesen Paaren schreiben wir die Elemente von A <strong>an</strong> erster und die Elemente<br />
von B <strong>an</strong> zweiter Stelle. Zwei dieser geordneten Paare wollen wir nur d<strong>an</strong>n als gleich<br />
betrachten, wenn beide Komponenten übere<strong>in</strong>stimmen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.19 (Produktmenge). Seien A und B Mengen. Die Produktmenge A ×<br />
B, auch gen<strong>an</strong>nt <strong>das</strong> Cartesische Produkt, von A und B ist die Menge aller geordneten<br />
Paare (a, b) aus Elementen von A und B.<br />
S<strong>in</strong>d mehr als zwei Mengen M 1 , . . . , M k gegeben, so können wir <strong>an</strong>alog die geordneten<br />
k<br />
i=1 M i<br />
k-tupel bilden (m 1 , . . . , m k ) mit m i ∈ M i <strong>für</strong> i = 1, . . . , k. Das cartesische Produkt<br />
<strong>der</strong> M i ist d<strong>an</strong>n die Menge aller geordneten k-tupel dieser Form.<br />
Ist A = B bzw. A = M i <strong>für</strong> alle i, so schreiben wir statt A × A und A × . . . × A kurz A 2<br />
bzw. A k .<br />
und<br />
Beispiel 3.3.20. Seien A = {1, 2, 3} und B = {a, b}, d<strong>an</strong>n ist<br />
A × B = {(1, a), (1, b), (2, a), (2, b), (3, a), (3, b)}<br />
A 2 = {(1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (3, 1), (3, 2), (3, 3)}.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n auch <strong>das</strong> cartesische Produkt beliebig vieler Mengen M i , i ∈ I bilden; die<br />
Def<strong>in</strong>ition ist allerd<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong> wenig kompliziert und benötigt Funktionen. Daher wird sie erst<br />
<strong>in</strong> Abschnitt 3.3.3 nachgeholt werden.<br />
3.3.2. Relationen. In diesem Abschnitt geht es darum, Elemente von Mengen mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong><br />
<strong>in</strong> Beziehung zu setzen.<br />
Beispiel 3.3.21. Sei etwa M die Menge aller Hörer <strong>in</strong> diesem Hörsaal. Betrachten wir<br />
die Beziehung ”<br />
ist verw<strong>an</strong>dt mit“. Wir können d<strong>an</strong>n zu je zwei Personen A und B im Hörsaal<br />
e<strong>in</strong>e Aussage darüber machen, ob A mit B verw<strong>an</strong>dt ist.<br />
E<strong>in</strong>e <strong>an</strong><strong>der</strong>e Beziehung, die wir auf M betrachten könnten ist ”<br />
ist Bru<strong>der</strong> von“. Natürlich<br />
ist je<strong>der</strong> Bru<strong>der</strong> auch e<strong>in</strong> Verw<strong>an</strong>dter. Umgekehrt muss <strong>das</strong> nicht <strong>der</strong> Fall se<strong>in</strong>.<br />
Schließlich ist e<strong>in</strong>e dritte mögliche Beziehung ”<br />
wohnt im selben Bezirk wie“.<br />
Beziehungen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Art von Beispiel 3.3.21 zwischen Elementen von Mengen nennt m<strong>an</strong><br />
Relationen. Im folgenden wollen wir e<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong> Def<strong>in</strong>ition da<strong>für</strong> geben.
48 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.22 (Relation). Sei M e<strong>in</strong>e Menge. E<strong>in</strong>e Teilmenge R ⊆ M × M <strong>der</strong><br />
geordneten Paare von Elementen aus M heißt Relation auf M.<br />
Für zwei Elemente a, b ∈ M sagen wir: a steht <strong>in</strong> Relation mit b, falls (a, b) ∈ R gilt.<br />
Wir schreiben d<strong>an</strong>n <strong>in</strong> Symbolen<br />
a R b.<br />
Stehen a und b nicht mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> <strong>in</strong> Relation, so schreiben wir a R b.<br />
Meist werden Relationen nicht mit R son<strong>der</strong>n mit Symbolen bezeichnet. Typische Relationssymbole<br />
s<strong>in</strong>d
3.3. MENGEN 49<br />
Dieses Pr<strong>in</strong>zip ist jedem bek<strong>an</strong>nt, denn <strong>in</strong> Telefonbüchern werden etwa jene Ärzte <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />
Gruppe zusammengefasst, die im selben Bezirk praktizieren.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.28. Sei M e<strong>in</strong>e Menge und ∼ e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf M. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
die Äquivalenzklasse von a ∈ M durch<br />
C a := {b ∈ M | b ∼ a}.<br />
Alternative Bezeichnungen <strong>für</strong> C a s<strong>in</strong>d auch [a] und ā.<br />
Aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition sehen wir, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> jedes a ∈ M die Äquivalenzklasse C a ⊆ M erfüllt.<br />
Da a ∈ C a gilt wegen <strong>der</strong> Reflexivität von ∼, haben wir ⋃ a∈M C a = M. Doch die zweite<br />
wichtige Eigenschaft <strong>der</strong> Äquivalenzklassen wollen wir <strong>in</strong> <strong>der</strong> nachfolgenden Proposition fest<br />
halten.<br />
Proposition 3.3.29. Sei M e<strong>in</strong>e Menge und ∼ e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf M. D<strong>an</strong>n<br />
s<strong>in</strong>d zwei Äquivalenzklassen C a und C b entwe<strong>der</strong> disjunkt o<strong>der</strong> gleich. In Symbolen<br />
C a ∩ C b ≠ ∅ ⇐⇒ C a = C b .<br />
Beweis. Ist C a = C b , so ist auch C a ∩ C b = C a ≠ ∅, weil Äquivalenzklassen nie leer s<strong>in</strong>d.<br />
Ist umgekehrt C a ∩ C b ≠ ∅. D<strong>an</strong>n existiert e<strong>in</strong> y ∈ C a ∩ C b , und somit gelten y ∼ a und<br />
y ∼ b. Aus Reflexivität und Tr<strong>an</strong>sitivität folgt a ∼ b. Sei nun x ∈ C a . D<strong>an</strong>n wissen wir x ∼ a<br />
und wegen <strong>der</strong> Tr<strong>an</strong>sitivität auch x ∼ b und damit x ∈ C b . Also gilt C a ⊆ C b . Nachdem wir<br />
<strong>an</strong>alog durch Vertauschen von a und b <strong>in</strong> obiger Argumentation C b ⊆ C a beweisen können,<br />
folgt C a = C b , was wir behauptet hatten.<br />
□<br />
Wir f<strong>in</strong>den also <strong>für</strong> jede Äquivalenzrelation ∼ auf e<strong>in</strong>er Menge M e<strong>in</strong>e Familie von Teilmengen<br />
von M, die Äquivalenzklassen C a , die<br />
(1) ⋃ a∈M C a = M und<br />
(2) C a ∩ C b ≠ ∅ ⇐⇒ C a = C b<br />
erfüllen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.30. E<strong>in</strong>e solche Familie disjunkter Teilmengen e<strong>in</strong>er Menge, die die<br />
gesamte Menge überdecken, nennt m<strong>an</strong> Partition.<br />
Theorem 3.3.31. Jede Äquivalenzrelation ∼ auf e<strong>in</strong>er Menge M def<strong>in</strong>iert e<strong>in</strong>e Partition<br />
von M, und umgekehrt k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> aus je<strong>der</strong> Partition U i , i ∈ I e<strong>in</strong>er Menge M e<strong>in</strong>e<br />
Äquivalenzrelation ∼ gew<strong>in</strong>nen durch<br />
a ∼ b : ⇐⇒ ∃i ∈ I : a, b ∈ U i .<br />
Beweis. Wir wissen bereits, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf M e<strong>in</strong>e Partition def<strong>in</strong>ert,<br />
nämlich die Partition <strong>in</strong> Äquivalenzklassen.<br />
Sei umgekehrt e<strong>in</strong>e Partition U i , i ∈ I gegeben, und sei die Relation ∼ wie <strong>in</strong> <strong>der</strong> Aussage<br />
des Theorems def<strong>in</strong>iert. Es bleibt zu zeigen, <strong>das</strong>s ∼ e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation ist.<br />
Reflexivität: Für alle a ∈ M gilt a ∼ a, da wegen ⋃ i∈I U i = M e<strong>in</strong> j ∈ I existieren<br />
muss mit a ∈ U j .<br />
Symmetrie: Das folgt g<strong>an</strong>z offensichtlich aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von ∼.<br />
Tr<strong>an</strong>sitivität: Gelten a ∼ b und b ∼ c, so wissen wir, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> j ∈ I mit a, b ∈ U j und<br />
e<strong>in</strong> k ∈ I mit b, c ∈ U k existieren. Es ist somit b ∈ U j ∩ U k , und daher ist U i = U k .<br />
Daraus wie<strong>der</strong>um folgt, <strong>das</strong>s a, b, c ∈ U i und daher a ∼ c gilt.<br />
Also ist ∼ tatsächlich e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation.<br />
□<br />
Partitionen von Mengen zu Äquivalenzrelationen s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik äußerst wichtig.<br />
Aus diesem Grund hat m<strong>an</strong> <strong>der</strong> Menge aller Äquivalenzklassen e<strong>in</strong>en eigenen Namen gegeben.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.32. Sei M e<strong>in</strong>e Menge, ∼ e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation. Wir def<strong>in</strong>ieren die<br />
Faktormenge M/ ∼ als die Menge aller Äquivalenzklassen bezüglich ∼.
50 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Beispiel 3.3.33. Sei ¡ auf die Relation<br />
n ∼ p m : ⇐⇒ ∃k ¡ ∈<br />
mit n = m + kp<br />
gegeben. Dies ist e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation:<br />
Reflexivität: m ∼ p m, weil m = m + 0p,<br />
Symmetrie: Ist n ∼ p m, so f<strong>in</strong>den wir e<strong>in</strong> k ¡ ∈ mit n = m + kp, und durch<br />
Umformen f<strong>in</strong>den wir m = n + (−k)p. Damit gilt aber m ∼ p n.<br />
Tr<strong>an</strong>sitivität: Gelten n 1 ∼ p n 2 und n 2 ∼ p n 3 , so f<strong>in</strong>den wir k 1 und k 2 mit n 1 =<br />
n 2 + k 1 p und n 2 = n 3 + k 2 p. Setzen wir die Gleichungen zusammen, f<strong>in</strong>den wir<br />
n 1 = n 3 + (k 1 + k 2 )p, und k 1 + k 2 ist als Summe g<strong>an</strong>zer Zahlen e<strong>in</strong>e g<strong>an</strong>ze Zahl.<br />
Deshalb folgt n 1 ∼ p n 3 .<br />
Diese Äquivalenzrelation erzeugt genau p Äquivalenzklassen<br />
0 = {0, ±p, ±2p, ±3p, . . . }<br />
1 = {1, 1 ± p, 1 ± 2p, 1 ± 3p, . . . }<br />
.<br />
.<br />
p − 1 = {−1, −1 ± p, −1 ± 2p, −1 ± 3p, . . . }.<br />
Die p-elementige Faktormenge ¡ / ∼p wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik üblicherweise mit ¡ p bezeichnet,<br />
und m<strong>an</strong> nennt sie die Restklassen modulo p.<br />
3.3.2.2. Ordnungsrelation. Die zweite große Klasse von Relationen dient dazu, Mengen<br />
zu ordnen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.34. E<strong>in</strong>e reflexive und tr<strong>an</strong>sitive Relation ≼ auf M heißt Halbordnung,<br />
falls sie die folgende zusätzliche Eigenschaft erfüllt:<br />
Antisymmetrie: Die Beziehungen a ≼ b und b ≼ a implizieren schon Gleichheit<br />
a = b. In Symbolen ist<br />
a ≼ b ∧ b ≼ a =⇒ a = b.<br />
Gilt <strong>für</strong> zwei Elemente von M we<strong>der</strong> x ≼ y noch y ≼ x, so sagt m<strong>an</strong> x und y s<strong>in</strong>d nicht<br />
vergleichbar (bezüglich ≼). An<strong>der</strong>nfalls nennt m<strong>an</strong> die beiden Elemente vergleichbar.<br />
S<strong>in</strong>d je zwei Elemente von M vergleichbar, gilt also <strong>für</strong> je zwei Elemente x, y ∈ M wenigstens<br />
e<strong>in</strong>e <strong>der</strong> Relationen x ≼ y o<strong>der</strong> y ≼ x, so nennt m<strong>an</strong> die Relation e<strong>in</strong>e Totalordnung<br />
o<strong>der</strong> schlicht Ordnung auf M.<br />
Betrachten wir e<strong>in</strong>e Menge M zusammen mit e<strong>in</strong>er Ordnungsrelation ≼, so nennen wir<br />
<strong>das</strong> Paar (M, ≼) auch geordnete Menge.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.35. Um mit Ordnungsrelationen leichter h<strong>an</strong>tieren zu können, müssen<br />
wir e<strong>in</strong>ige Schreibweisen def<strong>in</strong>ieren. Gilt x ≼ y, so schreiben wir auch m<strong>an</strong>chmal y ≽ x.<br />
Haben wir x ≼ y und gilt x ≠ y, so kürzen wir ab zu x ≺ y. Analog def<strong>in</strong>ieren wir y ≻ x.<br />
Beispiel 3.3.36. Das bek<strong>an</strong>nteste Beispiel <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Ordnungsrelation (e<strong>in</strong>e Totalordnung)<br />
ist die Beziehung ≤ auf den reellen Zahlen £ .<br />
Sei M die Menge aller Menschen. Wir def<strong>in</strong>ieren die Relation ≺ durch A ≺ B, wenn<br />
B e<strong>in</strong> Vorfahre von A ist. Die entstehende Relation ≼ ist klarerweise reflexiv und tr<strong>an</strong>sitiv.<br />
Die Antisymmetrie folgt aus <strong>der</strong> Tatsache, <strong>das</strong>s ke<strong>in</strong> Mensch Vorfahre von sich selbst se<strong>in</strong><br />
k<strong>an</strong>n. Es gibt aber Paare von Menschen, die nicht mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> vergleichbar s<strong>in</strong>d, <strong>für</strong> die also<br />
we<strong>der</strong> A ≼ B noch A ≽ B gelten. Die Relation ”<br />
Ist Vorfahre von“ ist also e<strong>in</strong>e Halbordnung<br />
auf M.<br />
So wie e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf e<strong>in</strong>er Menge M e<strong>in</strong>e Struktur def<strong>in</strong>iert, die wichtige<br />
Folgestrukturen entstehen lässt, erzeugt auch e<strong>in</strong>e Ordnungsrelation auf M Folgebegriffe.
3.3. MENGEN 51<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.37. Sei (M, ≼) e<strong>in</strong>e geordnete Menge, und sei E ⊆ M e<strong>in</strong>e Teilmenge.<br />
Gibt es e<strong>in</strong> β ∈ M mit <strong>der</strong> Eigenschaft<br />
x ≼ β <strong>für</strong> jedes Element x ∈ E,<br />
so nennen wir β e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von E. Untere Schr<strong>an</strong>ken def<strong>in</strong>iert m<strong>an</strong> <strong>an</strong>alog<br />
durch Ersetzen von ≼ durch ≽.<br />
E<strong>in</strong>e Teilmenge E ⊆ M heißt nach oben (unten) beschränkt, falls sie e<strong>in</strong>e obere<br />
(untere) Schr<strong>an</strong>ke besitzt. Sie heißt beschränkt, falls sie nach oben und unten beschränkt<br />
ist.<br />
Beispiel 3.3.38.<br />
• Betrachten wir die geordnete (£ Menge , ≤). Das Intervall E = [0, 1] ist e<strong>in</strong>e Teilmenge<br />
£ von . Jede Zahl im Intervall [1, ∞ [ ist obere Schr<strong>an</strong>ke von E, und jede Zahl<br />
im Intervall ] − ∞, 0] ist untere Schr<strong>an</strong>ke von E. E ist klarerweise beschränkt.<br />
• Die Menge M := {1/n | n ∈ \ {0}} ist nach oben und unten beschränkt. M hat<br />
dieselben unteren und oberen Schr<strong>an</strong>ken wie E.<br />
• Die Menge aller Primzahlen ist als Teilmenge £ von nach unten beschränkt, sie<br />
besitzt aber ke<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke.<br />
• Die ¡ Menge £ ⊂ ist we<strong>der</strong> nach oben noch nach unten beschränkt.<br />
Wir sehen aus dem vorigen Beispiel, <strong>das</strong>s obere und untere Schr<strong>an</strong>ke bei weitem nicht e<strong>in</strong>deutig<br />
s<strong>in</strong>d. Die <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Frage ist, ob es e<strong>in</strong>e ausgezeichnete obere bzw. untere Schr<strong>an</strong>ke<br />
gibt. Die Be<strong>an</strong>twortung dieser Frage <strong>für</strong> die geordnete Menge (¢ , ≤) wird <strong>in</strong> Kapitel 5 zu £<br />
führen. Hier wollen wir uns mit e<strong>in</strong>er Def<strong>in</strong>ition begnügen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.39. Sei (M, ≼) e<strong>in</strong>e geordnete Menge, und sei E e<strong>in</strong>e nach oben beschränkte<br />
Teilmenge. Existiert e<strong>in</strong> α ∈ M mit den Eigenschaften<br />
(1) α ist e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von E,<br />
(2) Ist γ ≺ α, so ist γ ke<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von E,<br />
so nennen wir α die kle<strong>in</strong>ste obere Schr<strong>an</strong>ke o<strong>der</strong> <strong>das</strong> Supremum von E, und wir<br />
schreiben<br />
α = sup E<br />
Analog def<strong>in</strong>ieren wir die größte untere Schr<strong>an</strong>ke, <strong>das</strong> Infimum<br />
α = <strong>in</strong>f E<br />
e<strong>in</strong>er nach unten beschränkten Teilmenge.<br />
Besitzt e<strong>in</strong>e Teilmenge E e<strong>in</strong> Supremum (Infimum) α, und ist α ∈ E erfüllt, d<strong>an</strong>n nennen<br />
wir α auch <strong>das</strong> Maximum (M<strong>in</strong>imum) von E, <strong>in</strong> Zeichen max E (m<strong>in</strong> E).<br />
Beispiel 3.3.40. Seien E und M wie <strong>in</strong> Beispiel 3.3.38. Es gilt 0 = <strong>in</strong>f E = <strong>in</strong>f M und<br />
1 = sup E = sup M. Für E s<strong>in</strong>d 1 und 0 sogar Maximum bzw. M<strong>in</strong>imum. Für M ist 1 e<strong>in</strong><br />
Maximum, aber 0 ist ke<strong>in</strong> M<strong>in</strong>imum, da 0 /∈ M.<br />
3.3.3. Abbildungen. Wie bereits früher erwähnt, besteht e<strong>in</strong> großer Teil <strong>der</strong> mo<strong>der</strong>nen<br />
Mathematik <strong>in</strong> <strong>der</strong> Analyse von Strukturen. Diese Strukturen bestehen aus Objekten und<br />
den Beziehungen zwischen diesen Objekten. Wir haben schon erwähnt, <strong>das</strong>s Mengen <strong>für</strong> die<br />
meisten Strukturen die Basis bilden. Die <strong>in</strong> diesem Abschnitt beh<strong>an</strong>delten Abbildungen s<strong>in</strong>d<br />
die Basis <strong>für</strong> die Beziehungen zwischen den Objekten.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.41. Seien A und B Mengen. E<strong>in</strong>e Teilmenge f ⊆ A×B heißt Abbildung<br />
von A nach B, wenn<br />
∀a ∈ A : ∃!b ∈ B : (a, b) ∈ f,
52 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
o<strong>der</strong> <strong>in</strong> Worten, wenn zu jedem Element <strong>in</strong> A genau e<strong>in</strong> Element von B gehört. Wir schreiben<br />
d<strong>an</strong>n<br />
f : A → B<br />
f(a) = b<br />
f : a ↦→ b<br />
b = a f<br />
(sehr selten)<br />
und nennen b <strong>das</strong> Bild von a (unter f) und a e<strong>in</strong> Urbild von b. Die Menge A heißt <strong>der</strong><br />
Urbild- o<strong>der</strong> Def<strong>in</strong>itionsbereich von f, und die Menge B nennen wir auch Bildbereich<br />
von f.<br />
Obwohl <strong>der</strong> Begriff <strong>der</strong> Abbildung zentral <strong>für</strong> die mo<strong>der</strong>ne Mathematik ist, wurde er<br />
erst sehr spät (im zw<strong>an</strong>zigsten Jahrhun<strong>der</strong>t!) formalisiert. Daher existieren abhängig vom<br />
betrachteten Gebiet viele verschiedene Ausdrücke <strong>für</strong> Abbildung.<br />
Der Term<strong>in</strong>us Abbildung ist <strong>der</strong> allgeme<strong>in</strong>ste, doch <strong>der</strong> Begriff Funktion ist e<strong>in</strong> Synonym,<br />
auch wenn er meist d<strong>an</strong>n verwendet wird, wenn B e<strong>in</strong> Körper (siehe Abschnitt 4) ist.<br />
E<strong>in</strong>e Tr<strong>an</strong>sformation ist e<strong>in</strong>e Abbildung e<strong>in</strong>er Menge <strong>in</strong> sich (also <strong>für</strong> A = B). E<strong>in</strong>e<br />
bijektive Tr<strong>an</strong>sformation e<strong>in</strong>er endlichen Menge heißt auch Permutation.<br />
E<strong>in</strong> Operator ist e<strong>in</strong>e Abbildung zwischen Mengen von Abbildungen. So bildet etwa <strong>der</strong><br />
Ableitungsoperator jede differenzierbare Funktion auf ihre Ableitungsfunktion ab.<br />
Schließlich taucht beson<strong>der</strong>s <strong>in</strong> <strong>der</strong> L<strong>in</strong>earen Algebra und <strong>der</strong> Funktional<strong>an</strong>alysis <strong>der</strong><br />
Begriff Form auf. Dieser beschreibt e<strong>in</strong>e multil<strong>in</strong>eare Abbildung <strong>in</strong> den Grundkörper e<strong>in</strong>es<br />
Vektorraums (siehe L<strong>in</strong>eare Algebra!).<br />
Es ist wichtig, <strong>in</strong> Texten zwischen <strong>der</strong> Funktion f und den Werten f(x) e<strong>in</strong>er Funktion<br />
zu unterscheiden.<br />
Die Abbildung f(x) . . .<br />
Da<strong>für</strong> hat m<strong>an</strong> die ↦→–Notation.<br />
Die Abbildung f : x ↦→ f(x) . . .<br />
wäre <strong>in</strong> Ordnung.<br />
Wir können mit Hilfe e<strong>in</strong>er Abbildung g<strong>an</strong>ze Teilmengen von A nach B abbilden.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.42. Sei f : A → B e<strong>in</strong>e Abbildung, und sei M ⊆ A e<strong>in</strong>e Teilmenge. Wir<br />
nennen die Menge<br />
f(M) := {b ∈ B | ∃a ∈ M : f(a) = b}<br />
<strong>das</strong> Bild <strong>der</strong> Menge M unter f.<br />
Umgekehrt können wir <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Teilmenge N ⊆ B des Bildbereiches alle Elemente <strong>in</strong> A<br />
suchen, <strong>der</strong>en Bil<strong>der</strong> <strong>in</strong> N liegen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.43. Sei wie<strong>der</strong> f : A → B e<strong>in</strong>e Abbildung, doch nun sei N ⊆ B e<strong>in</strong>e<br />
Teilmenge des Bildbereiches. Wir def<strong>in</strong>ieren die Menge<br />
f −1 (N) := {a ∈ A | f(a) ∈ N}<br />
und nennen sie <strong>das</strong> Urbild <strong>der</strong> Menge N. Für e<strong>in</strong> Element b ∈ B def<strong>in</strong>ieren wir <strong>das</strong><br />
Urbild von b durch f −1 (b) := f −1 ({b}). Beachte dabei, <strong>das</strong>s <strong>das</strong> Urbild von b e<strong>in</strong>e Menge<br />
ist!<br />
Beispiel 3.3.44. Betrachten wir die Funktion f : £ → £ mit f(x) = x 2 . Das Bild <strong>der</strong><br />
Menge M = [−1, 1] ist die Menge f(M) = [0, 1]. Das Urbild von N = [−4, 4] ist die Menge<br />
f −1 (N) = [−2, 2], und <strong>das</strong> Urbild des Punktes 9 ist die Menge f −1 (9) = {−3, 3}.<br />
Kommen wir jetzt zu den drei grundlegenden Eigenschaften von Abbildungen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.45. Sei f : A → B e<strong>in</strong>e Abbildung. Wir sagen f ist
3.3. MENGEN 53<br />
<strong>in</strong>jektiv: wenn verschiedene Urbil<strong>der</strong> auch verschiedene Bil<strong>der</strong> haben. In Symbolen<br />
können wir schreiben<br />
x ≠ y ∈ A =⇒ f(x) ≠ f(y) o<strong>der</strong> f(x) = f(y) =⇒ x = y.<br />
An<strong>der</strong>s ausgedrückt verl<strong>an</strong>gen wir, <strong>das</strong>s jedes Element <strong>in</strong> B höchstens e<strong>in</strong> Urbild<br />
hat.<br />
surjektiv: wenn jedes Element von B von f getroffen wird, also m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong><br />
Urbild besitzt. In Symbolen:<br />
∀b ∈ B : ∃a ∈ A : f(a) = b.<br />
bijektiv: wenn f <strong>in</strong>jektiv und surjektiv ist. Das ist <strong>der</strong> Fall, wenn jedes Element <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> Bildmenge B genau e<strong>in</strong> Urbild besitzt.<br />
ACHTUNG: Mitunter werden <strong>für</strong> die Begriffe <strong>in</strong>jektiv und bijektiv auch die alten Begriffe<br />
e<strong>in</strong>deutig und e<strong>in</strong>e<strong>in</strong>deutig verwendet. Das wäre ja leicht zu merken, doch unglücklicherweise<br />
verwenden m<strong>an</strong>che Autoren den Begriff ”<br />
e<strong>in</strong>e<strong>in</strong>deutig“ statt <strong>für</strong> bijektiv <strong>für</strong> <strong>in</strong>jektiv.<br />
Daher rate ich dr<strong>in</strong>gend zur Verwendung <strong>der</strong> late<strong>in</strong>ischen Bezeichnungen.<br />
Ist f : A → B surjektiv, so sagt m<strong>an</strong> auch f ist e<strong>in</strong>e Abbildung von A auf B.<br />
Wenn m<strong>an</strong> Injektivität und Surjektivität von Abbildungen untersucht, ist es wichtig,<br />
nicht zu vergessen, Urbild- und Bildbereiche genau zu beachten. Wenn wir etwa die Funktion<br />
f : x ↦→ x 2 untersuchen, d<strong>an</strong>n können wir abhängig von Def<strong>in</strong>itions- und Bildbereich alle<br />
Vari<strong>an</strong>ten f<strong>in</strong>den:<br />
(1) £ £ f : → ist we<strong>der</strong> <strong>in</strong>jektiv noch surjektiv, weil f(−1) = f(1), was <strong>der</strong> Injektivität<br />
wi<strong>der</strong>spricht und −1 nicht von f getroffen wird.<br />
+<br />
£ (2) f £ : 0 → ist <strong>in</strong>jektiv aber nicht surjektiv.<br />
+<br />
£ (3) £ f : → 0 ist surjektiv aber nicht <strong>in</strong>jektiv.<br />
+ +<br />
£ (4) f £ : 0 → 0 ist bijektiv.<br />
E<strong>in</strong> weiteres, wichtiges Beispiel <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e bijektive Abbildung ist <strong>für</strong> jede Menge M die<br />
Identität X : M → M mit ¨ <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition X(m) = m <strong>für</strong> alle m ∈ ¨ M.<br />
E<strong>in</strong> erstes Beispiel <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong> Struktur war diejenige e<strong>in</strong>er Menge. Die zugehörigen<br />
Beziehungen s<strong>in</strong>d die Abbildungen. Wir haben aber im letzten Abschnitt e<strong>in</strong>e<br />
weitere, etwas spezialisierte Struktur def<strong>in</strong>iert, die geordnete Menge. Was s<strong>in</strong>d die Beziehungen<br />
zwischen geordneten Mengen? G<strong>an</strong>z e<strong>in</strong>fach: Diejenigen Abbildungen, die die Ordnungsstruktur<br />
erhalten, also die monotonen Abbildungen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.46. Seien (A, ≼) und (B, ) zwei geordnete Mengen. E<strong>in</strong>e Abbildung<br />
f : A → B heißt monoton wachsend, falls aus x ≼ y schon f(x) f(y) folgt. Sie heißt<br />
monoton fallend, falls sich aus y ≼ x die Relation f(x) f(y) ergibt.<br />
Beispiel 3.3.47. Die Funktion f £ :<br />
wachsend.<br />
+<br />
0 → £ mit <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition f(x) = x 2 ist monoton<br />
Wir haben also bereits zwei Beispiele <strong>für</strong> typische <strong>mathematische</strong> Strukturen kennengelernt:<br />
Mengen und Abbildungen und geordnete Mengen und monotone Abbildungen.<br />
S<strong>in</strong>d f : A → B und g : B → C zwei Abbildungen, so können wir diese h<strong>in</strong>ter e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong><br />
ausführen, <strong>in</strong>dem wir <strong>das</strong> Ergebnis von f <strong>in</strong> g e<strong>in</strong>setzen: g(f(a)). Dies ist e<strong>in</strong> wichtiges<br />
Konzept<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.48. Seien f : A → B und g : B → C zwei Abbildungen. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
die Verknüpfung von f mit g (H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>ausführung von f und g) g ◦ f : A → C<br />
durch<br />
g ◦ f(a) := g(f(a)).
54 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
S<strong>in</strong>d f : A → B, g : B → C und h : C → D drei Abbildungen, so gilt <strong>das</strong> Assoziativgesetz<br />
(f◦g)◦h = f◦(g◦h) (dies folgt leicht aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition). M<strong>an</strong> darf also beim Zusammensetzen<br />
von Abbildungen die Klammern weglassen.<br />
Ist f : A → B bijektiv, so gibt es zu jedem Bild b ∈ B genau e<strong>in</strong> Urbild a ∈ A mit<br />
f(a) = b. Wir können also e<strong>in</strong>e neue Funktion f −1 : B → A def<strong>in</strong>ieren, die jedem Element<br />
b ∈ B <strong>das</strong> Urbild zuordnet. M<strong>an</strong> nennt die Abbildung f −1 die <strong>in</strong>verse Abbildung von f<br />
o<strong>der</strong> die Umkehrfunktion von f. Die Zusammensetzung von f mit <strong>der</strong> Umkehrabbildung<br />
ergibt <strong>für</strong> alle a ∈ A und alle b ∈ B, wie m<strong>an</strong> leicht e<strong>in</strong>sehen k<strong>an</strong>n<br />
o<strong>der</strong> <strong>in</strong> Funktionsnotation<br />
f(f −1 (b)) = b,<br />
f −1 (f(a)) = a<br />
f ◦ f −1 = ¨ B, f ◦ f −1 = ¨ A.<br />
Hat m<strong>an</strong> zwei Mengen A und B, so können wir alle Abbildungen von A nach B wie<strong>der</strong><br />
zu e<strong>in</strong>er Menge zusammenfassen, <strong>der</strong> Menge aller Abbildungen von A nach B, die oft<br />
mit B A bezeichnet wird. Warum <strong>das</strong> so ist, können wir gleich sehen.<br />
Zuletzt, sei nämlich wie versprochen noch die Def<strong>in</strong>ition des cartesischen Produktes von<br />
zwei Mengen auf beliebig viele Mengen verallgeme<strong>in</strong>ert.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.49 (Cartesisches Produkt). Seien M i , i ∈ I Mengen. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
∏<br />
M i := M i := {f : I → ⋃ M i | ∀i ∈ I : f(i) ∈ M i }<br />
i∈I<br />
i∈I<br />
i∈I<br />
<strong>das</strong> Cartesische Produkt <strong>der</strong> M i .<br />
S<strong>in</strong>d alle Mengen M i = M gleich, d<strong>an</strong>n schreiben wir statt ∏ i∈I M auch M I , und <strong>das</strong><br />
stimmt mit <strong>der</strong> oberen Bezeichnung von M I als Menge aller Abbildungen von I nach M<br />
übere<strong>in</strong>!<br />
M<strong>an</strong> beachte, <strong>das</strong>s diese Def<strong>in</strong>iton <strong>für</strong> endliche Indexmengen I äquivalent ist zur Def<strong>in</strong>ition<br />
mit k-tupeln. Haben wir etwa die Mengen M 0 und M 1 , d<strong>an</strong>n ist unsere Indexmenge<br />
I = {0, 1}. Setzen wir <strong>in</strong> die Def<strong>in</strong>ition 3.3.49 e<strong>in</strong>, so erhalten wir<br />
M 0 × M 1 = {f : {0, 1} → M 0 ∪ M 1 | f(0) ∈ M 0 ∧ f(1) ∈ M 1 }. (3.2)<br />
E<strong>in</strong>e Abbildung f von {0, 1} aus <strong>in</strong> irgende<strong>in</strong>e Menge ist schon e<strong>in</strong>deutig bestimmt durch<br />
die Werte bei 0 und 1. Die e<strong>in</strong>zige For<strong>der</strong>ung <strong>an</strong> f ist, <strong>das</strong>s f(0) ∈ M 0 und f(1) ∈ M 1 liegen<br />
müssen. Verstehen wir nun die Indexmenge I als Positions<strong>an</strong>gaben und schreiben wir die<br />
Abbildung f e<strong>in</strong> wenig <strong>an</strong><strong>der</strong>s auf, d<strong>an</strong>n sehen wir<br />
I 0 1<br />
( f(0) , f(1) ),<br />
∈ M 0 ∈ M 1<br />
<strong>das</strong>s jede Funktion e<strong>in</strong>em geordneten Paar entspricht, dessen erster E<strong>in</strong>trag <strong>in</strong> M 0 liegt, und<br />
dessen zweiter E<strong>in</strong>trag Element von M 1 se<strong>in</strong> muss. Alle möglichen Funktionen die die Form<br />
von (3.2) haben, f<strong>in</strong>det m<strong>an</strong>, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> f(0) alle möglichen Elemente von M 0 durchlaufen<br />
lässt und <strong>für</strong> f(1) jedes Element von M 1 e<strong>in</strong>setzt. M<strong>an</strong> konstruiert also wirklich alle<br />
geordneten Paare von M 0 und M 1 .<br />
Zum weiteren Verständnis wollen wir die Konstruktion <strong>für</strong> I = {0, 1, 2} und M 0 = {a, b},<br />
M 1 = {1, 2, 3} und M 2 = {α, β} genau vorrechnen:<br />
M 0 × M 1 × M 2 = {(a, 1, α), (a, 1, β), (a, 2, α), (a, 2, β), (a, 3, α), (a, 3, β),<br />
(b, 1, α), (b, 1, β), (b, 2, α), (b, 2, β), (b, 3, α), (b, 3, β}<br />
entspricht unserer ursprünglichen Def<strong>in</strong>ition durch Tripel (3-tupel).
3.3. MENGEN 55<br />
Untersuchen wir die Menge aller Abbildungen<br />
X := {f : {0, 1, 2} → M 0 ∪ M 1 ∪ M 2 = {1, 2, 3, a, b, α, β} |<br />
f(0) ∈ {a, b} ∧ f(1) ∈ {1, 2, 3} ∧ f(2) ∈ {α, β}}. (3.3)<br />
Es gibt zwölf verschiedene Abbildungen <strong>in</strong> dieser Menge X:<br />
f 0 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 1<br />
2 ↦→ α<br />
f 1 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 1<br />
2 ↦→ β<br />
f 2 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 2<br />
2 ↦→ α<br />
f 3 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 2<br />
2 ↦→ β<br />
f 4 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 3<br />
2 ↦→ α<br />
f 5 : 0 ↦→ a<br />
1 ↦→ 3<br />
2 ↦→ β<br />
f 6 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 1<br />
2 ↦→ α<br />
f 7 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 1<br />
2 ↦→ β<br />
f 8 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 2<br />
2 ↦→ α<br />
f 9 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 2<br />
2 ↦→ β<br />
f 10 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 3<br />
2 ↦→ α<br />
f 11 : 0 ↦→ b<br />
1 ↦→ 3<br />
2 ↦→ β<br />
Sorgfältiger Vergleich zwischen den Mengen X und M 0 × M 1 × M 2 zeigt, <strong>das</strong>s <strong>in</strong> <strong>der</strong> Tat<br />
beide Mengen <strong>das</strong>selbe beschreiben.<br />
Beispiel 3.3.50. Die Menge aller Abbildungen von nach £ o<strong>der</strong> <strong>das</strong> cartesische Produkt<br />
von ”<br />
–vielen Kopien von £ “ ist die Menge aller reellen Zahlenfolgen<br />
(x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , . . . ), mit x i ∈ £ <strong>für</strong> i ∈ .<br />
3.3.4. Mächtigkeit. E<strong>in</strong>e <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Eigenschaft von Mengen, die diesen <strong>in</strong>tr<strong>in</strong>sisch<br />
ist, ist ihre Mächtigkeit. Für endliche Mengen M ist die Mächtigkeit |M| e<strong>in</strong>fach die Anzahl<br />
<strong>der</strong> Elemente.<br />
Meist wird die Mächtigkeit e<strong>in</strong>er Menge M mit |M| bezeichnet. Beson<strong>der</strong>s <strong>in</strong> <strong>der</strong> Topologie<br />
und <strong>der</strong> axiomatischen Mengenlehre wird die Mächtigkeit (o<strong>der</strong> Kard<strong>in</strong>alität) von M<br />
auch mit card(M) bezeichnet, um explizit darauf h<strong>in</strong> zu weisen, <strong>das</strong>s die Mächtigkeit von M<br />
e<strong>in</strong>e Kard<strong>in</strong>alzahl ist.<br />
Wie fast alles <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mengenlehre geht auch <strong>das</strong> Konzept <strong>der</strong> Mächtigkeit e<strong>in</strong>er Menge<br />
auf Georg C<strong>an</strong>tor zurück. Für unendliche Mengen hat er als erster def<strong>in</strong>iert, w<strong>an</strong>n es legitim<br />
ist zu sagen, <strong>das</strong>s zwei Mengen A und B gleich mächtig (gleich groß) s<strong>in</strong>d.<br />
Def<strong>in</strong>ition 3.3.51. Zwei Mengen A und B heißen gleich mächtig, wenn e<strong>in</strong>e bijektive<br />
Abbildung (e<strong>in</strong>e Bijektion) von A auf B existiert.<br />
Diese e<strong>in</strong>fache Def<strong>in</strong>ition hat weit reichende Konsequenzen. Es wird zum e<strong>in</strong>en möglich,<br />
<strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Menge zu e<strong>in</strong>er echten Teilmenge gleich mächtig ist.<br />
Beispiel 3.3.52. Betrachten wir die Menge und die Menge g aller geraden Zahlen.<br />
Es gilt g , doch die Abbildung f : → g mit f : x ↦→ 2x ist e<strong>in</strong>e Bijektion. Die<br />
Mengen und g s<strong>in</strong>d also gleich mächtig.<br />
Es stellt sich heraus, <strong>das</strong>s nur die endlichen Mengen die Eigenschaft haben, e<strong>in</strong>e größere<br />
Mächtigkeit zu besitzen als alle ihre echten Teilmengen.<br />
Proposition 3.3.53. E<strong>in</strong>e Menge ist unendlich genau d<strong>an</strong>n, wenn sie e<strong>in</strong>e gleich mächtige<br />
echte Teilmenge besitzt.<br />
Beweis. Ohne Beweis.<br />
□
56 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
C<strong>an</strong>tor hat schon gezeigt, <strong>das</strong>s aus <strong>der</strong> Mächtigkeitsdef<strong>in</strong>ition gefolgert werden k<strong>an</strong>n, <strong>das</strong>s<br />
unendlich große Mengen nicht gleich groß zu se<strong>in</strong> brauchen. Es gibt auch bei unendlichen<br />
Menge Größenunterschiede. In <strong>der</strong> Mengentheorie ist also ”<br />
unendlich nicht gleich<br />
unendlich“.<br />
Das Wort unendlich ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik allgegenwärtig. Die meisten vom Mathematiker<br />
beh<strong>an</strong>delten Gegenstände s<strong>in</strong>d unendlich (z.B. £ , n , . . . ), die meisten Aussagen <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>mathematische</strong>n Theorie h<strong>an</strong>deln von unendlich vielen Objekten.<br />
Das Symbol <strong>für</strong> den Ausdruck unendlich ist ∞. Dass es e<strong>in</strong> (und nur e<strong>in</strong>) Symbol <strong>für</strong><br />
unendlich“ gibt, führt lei<strong>der</strong> oft zu Missverständnissen, wird doch von vielen daraus geschlossen,<br />
<strong>das</strong>s m<strong>an</strong> mit unendlich so umgehen k<strong>an</strong>n wie mit den reellen o<strong>der</strong> komplexen<br />
”<br />
Zahlen.<br />
E<strong>in</strong>e Menge M hat unendlich viele Elemente<br />
Diese Aussage bedeutet, <strong>das</strong>s es ke<strong>in</strong>e natürliche Zahl n gibt mit |M| = n. M<strong>an</strong> schreibt<br />
abkürzend m<strong>an</strong>chmal |M| = ∞. Es bezeichnet |M| die Mächtigkeit (Kard<strong>in</strong>alität) von M,<br />
doch ∞ ist ke<strong>in</strong>e Kard<strong>in</strong>alzahl. Daher ist obige Formulierung ke<strong>in</strong>e mathematisch exakte<br />
Aussage.<br />
M<strong>an</strong> verwendet ∞ bei <strong>der</strong> Beschreibung von Grenzübergängen wie etwa <strong>in</strong><br />
lim<br />
n→∞ a n<br />
o<strong>der</strong> <strong>in</strong><br />
Für n → ∞ strebt die Folge (x n ) n gegen x.<br />
Auch hier ist ∞ nur e<strong>in</strong>e Abkürzung <strong>für</strong> die ε-δ–Def<strong>in</strong>ition aus <strong>der</strong> Analysis. Dasselbe gilt<br />
<strong>für</strong> die Notation <strong>in</strong> unendlichen Reihen.<br />
∞∑ 1<br />
n 2<br />
n=1<br />
E<strong>in</strong>e wirkliche <strong>mathematische</strong> Bedeutung hat <strong>das</strong> Symbol ∞ etwa <strong>in</strong> <strong>der</strong> Maßtheorie, <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> die Menge := £ ∪{∞} e<strong>in</strong>geführt wird. In diesem Fall bezeichnet ∞ e<strong>in</strong> bestimmtes von<br />
allen reellen Zahlen wohlunterschiedenes Element von ¯£<br />
mit genau def<strong>in</strong>ierten Eigenschaften.<br />
Auch <strong>in</strong> <strong>der</strong> projektiven Geometrie kommt <strong>das</strong> Symbol ∞ vor, und auch dort hat es e<strong>in</strong>e<br />
¯£<br />
genau festgelegte Bedeutung. In diesen Fällen ist ∞ ke<strong>in</strong>e Abkürzung mehr; dort hat es aber<br />
auch e<strong>in</strong>e fixe Bedeutung frei von Mythen.<br />
Was ist die kle<strong>in</strong>ste“ unendliche Menge? Diese Frage läßt sich be<strong>an</strong>tworten. Es k<strong>an</strong>n<br />
”<br />
relativ leicht gezeigt werden, <strong>das</strong>s jede unendliche Menge m<strong>in</strong>destens so groß wie se<strong>in</strong><br />
muss.<br />
Heuristisch lässt sich <strong>das</strong> so begründen: Wenn wir genauer untersuchen, d<strong>an</strong>n erkennen<br />
wir folgende Eigenheit: In <strong>der</strong> natürlichen Ordnung von besitzt jede Teilmenge T ⊂ e<strong>in</strong><br />
kle<strong>in</strong>stes Element (e<strong>in</strong> M<strong>in</strong>imum). Die Menge ist also wohlgeordnet. Nun f<strong>in</strong>den wir <strong>das</strong>s<br />
<strong>für</strong> Teilmengen T von nur zwei Möglichkeiten <strong>in</strong> Betracht kommen.<br />
(1) Die Menge T ist nach oben beschränkt. D<strong>an</strong>n ist T endlich. Ist nämlich α e<strong>in</strong>e obere<br />
Schr<strong>an</strong>ke von T , so ist T Teilmenge <strong>der</strong> endlichen Menge {0, 1, . . . , α}.<br />
(2) Die Menge T ist nicht nach oben beschränkt. D<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> zu jedem Element<br />
t <strong>in</strong> T <strong>das</strong> nächst größere Element t ′ <strong>in</strong> T f<strong>in</strong>den. Auf diese Weise k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> die<br />
Elemente von T durchnummerieren und e<strong>in</strong>e Bijektion auf konstruieren.<br />
Also ist jede Teilmenge von entwe<strong>der</strong> endlich o<strong>der</strong> unendlich und genauso groß wie<br />
selbst. Zwischen“ den endlichen Mengen und gibt es also ke<strong>in</strong>e Größenordnung mehr.<br />
”<br />
Um über die Mächtigkeit von reden zu können, müssen wir e<strong>in</strong> neues Symbol e<strong>in</strong>führen.<br />
Wir schreiben | | =: ℵ 0 (dieser Buchstabe stammt aus dem hebräischen Alphabet und heißt
3.3. MENGEN 57<br />
Aleph; die Mächtigkeit von ist also Aleph-Null) und nennen jede Menge, die gleich mächtig<br />
mit ist, also Kard<strong>in</strong>alität ℵ 0 hat, abzählbar.<br />
C<strong>an</strong>tor hat auch schon knapp vor <strong>der</strong> Jahrhun<strong>der</strong>twende bewiesen, <strong>das</strong>s × abzählbar<br />
ist.<br />
(0, 0) (1, 0) (2, 0) (3, 0) · · ·<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(0, 1) (1, 1) (2, 1) · · ·<br />
<br />
<br />
<br />
(0, 2) (1, 2) · · ·<br />
<br />
(0, 3) · · ·<br />
.<br />
...<br />
E<strong>in</strong>e Formel <strong>für</strong> die Zuordnung ist<br />
f : (i, j) ↦→ 1 (i + j)(i + j + 1) + j.<br />
2<br />
Nachdem die ¢ rationalen Zahlen als Teilmenge von × aufgefasst werden können (q =<br />
± m <strong>für</strong> zwei teilerfremde natürliche Zahlen m und n ≠ 0), ist also ¢ auch abzählbar. Auch die<br />
n<br />
Vere<strong>in</strong>igung von abzählbar vielen abzählbaren Mengen ist wie<strong>der</strong> abzählbar. Das k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong><br />
mit Hilfe des gleichen Pr<strong>in</strong>zips beweisen (schreibe <strong>in</strong> Ged<strong>an</strong>ken alle Mengen untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong><br />
auf und konstruiere die Bijektion <strong>an</strong>alog zur Diagonalabzählung).<br />
C<strong>an</strong>tor hat aber auch bewiesen, <strong>das</strong>s es verschiedene Größenklassen von Mengen gibt. So<br />
ist etwa §<br />
die Potenzmenge M e<strong>in</strong>er Menge M immer mächtiger als M selbst.<br />
Interess<strong>an</strong>t ist, <strong>das</strong>s die £ reellen Zahlen mächtiger s<strong>in</strong>d als . Die reellen Zahlen s<strong>in</strong>d<br />
überabzählbar. Das hat ebenfalls C<strong>an</strong>tor gezeigt.<br />
C<strong>an</strong>tor hat bewiesen, <strong>das</strong>s ] 0, 1 [ überabzählbar ist. Die Tatsache, <strong>das</strong>s ] 0, 1 [ die gleiche<br />
£ Mächtigkeit wie hat, ist e<strong>in</strong>fach zu zeigen. So bildet etwa die Funktion 1 (arct<strong>an</strong>(x) + π)<br />
π 2<br />
g<strong>an</strong>z bijektiv auf ] 0, 1 [ ab. Zum Beweis <strong>der</strong> Überabzählbarkeit verwenden wir die Tatsache,<br />
£<br />
<strong>das</strong>s sich jede reelle Zahl r als Dezimalentwicklung aufschreiben lässt, und d<strong>an</strong>n gehen wir<br />
<strong>in</strong>direkt vor. Angenommen, es gäbe e<strong>in</strong>e Bijektion b von auf ] 0, 1 [. D<strong>an</strong>n stellen wir<br />
uns vor, <strong>das</strong>s wir alle Zahlen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Reihenfolge untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> schreiben wie sie durch die<br />
Bijektion auf gegeben ist. Im nachfolgenden Diagramm mögen die a ij <strong>für</strong> Dezimalziffern<br />
stehen. Die oberste Reihe repräsentiere die Dezimalentwicklung <strong>der</strong> ersten Zahl, die nächste<br />
Zeile die <strong>der</strong> zweiten, £ usw. Wäre abzählbar, so müsste <strong>in</strong> diesem Schema jede reelle Zahl<br />
aus ] 0, 1 [ irgendwo auftauchen.<br />
0 : 0, a 01 a 02 a 03 a 04 a 05 a 06 · · ·<br />
1 : 0, a 11 a 12 a 13 a 14 a 15 a 16 · · ·<br />
2 : 0, a 21 a 22 a 23 a 24 a 25 a 26 · · ·<br />
3 : 0, a 31 a 32 a 33 a 34 a 35 a 36 · · ·<br />
4 : 0, a 41 a 42 a 43 a 44 a 45 a 46 · · ·<br />
5 : 0, a 51 a 52 a 53 a 54 a 55 a 56 · · ·<br />
. . . . . . . .<br />
...
58 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
Betrachten wir jetzt die reelle Zahl r mit <strong>der</strong> Dezimalentwicklung<br />
r = 0, â 01 â 12 â 23 â 34 â 45 â 56 . . . ,<br />
wobei wir â ij def<strong>in</strong>ieren durch<br />
â ij :=<br />
{<br />
a ij + 2 falls a ij ≤ 4<br />
a ij − 2 falls a ij ≥ 5<br />
Versuchen wir nun herauszuf<strong>in</strong>den, <strong>an</strong> welcher Stelle r <strong>in</strong> <strong>der</strong> Liste e<strong>in</strong>getragen ist, so müssen<br />
wir feststellen, <strong>das</strong>s r gar nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong> Aufzählung enthalten se<strong>in</strong> k<strong>an</strong>n. Sei nämlich n diejenige<br />
natürliche Zahl mit b(n) = r. D<strong>an</strong>n gilt aber<br />
b(n) = 0, a n1 a n2 a n3 a n4 a n5 a n6 . . .<br />
r = 0, â 01 â 12 â 23 â 34 â 45 â 56 . . .<br />
Damit wirklich b(n) = r gilt, müssen die Dezimalentwicklungen von b(n) und r übere<strong>in</strong> stimmen.<br />
Es gilt aber â n,n+1 ≠ a n,n+1 . Daher s<strong>in</strong>d b(n) und r verschieden, und r war tatsächlich<br />
nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong> Liste enthalten.<br />
Genauer untersuchend sieht m<strong>an</strong>, £ <strong>das</strong>s gleich mächtig ist mit <strong>der</strong> Potenzmenge von<br />
. Für die § Potenzmenge M e<strong>in</strong>er Menge M k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> allgeme<strong>in</strong> zeigen, |§ <strong>das</strong>s M| > |M|<br />
gilt (die Mächtigkeit <strong>der</strong> Potenzmenge e<strong>in</strong>er Menge |§ erfüllt M| = 2 |M| ). M<strong>an</strong> könnte nun<br />
vermuten, £ <strong>das</strong>s die nächst höhere Mächtigkeit nach ℵ 0 besitzt, also ℵ 1 .<br />
Trotzdem bezeichnet m<strong>an</strong> aus gutem Grund die Mächtigkeit £ von |£ mit | = c, <strong>der</strong><br />
Mächtigkeit des Kont<strong>in</strong>uums. Es lässt sich nämlich nicht c = ℵ 1 beweisen (m<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n<br />
beweisen, <strong>das</strong>s sich <strong>das</strong> nicht beweisen lässt — <strong>das</strong> hat Kurt Gödel 1938 get<strong>an</strong>), es lässt<br />
sich übrigens auch nicht wi<strong>der</strong>legen (<strong>das</strong> hat Paul J. Cohen 1963 bewiesen). Die sogen<strong>an</strong>nte<br />
Kont<strong>in</strong>uumshypothese von Georg C<strong>an</strong>tor, <strong>das</strong>s c = ℵ 1 ist, ist unabhängig von den<br />
Axiomen <strong>der</strong> Mengenlehre. Das heißt, es gibt Modelle <strong>der</strong> axiomatischen Mengenlehre,<br />
<strong>in</strong> denen c = ℵ 1 gilt und <strong>an</strong><strong>der</strong>e Modelle, <strong>in</strong> denen c ≠ ℵ 1 zutrifft. Die Axiomatisierung des<br />
Mengenbegriffs br<strong>in</strong>gt solche un<strong>an</strong>genehme Fakten mit sich, die zeigen, <strong>das</strong>s es noch nicht<br />
geschafft wurde, den naiven Mengenbegriff so gut zu axiomatisieren, <strong>das</strong>s die Axiome all<br />
unsere Vorstellungswelt e<strong>in</strong>zuf<strong>an</strong>gen im St<strong>an</strong>de s<strong>in</strong>d.<br />
3.4. Axiomatische Mengenlehre<br />
3.4.1. Die Axiome von Zermelo und Fraenkel. E<strong>in</strong>e Möglichkeit, die Mathematik<br />
auf e<strong>in</strong> festes Fundament zu stellen, ist die Axiomatisierung <strong>der</strong> Mengenlehre nach Zermelo<br />
und Fraenkel. Mit <strong>der</strong> Festlegung dieser Axiome gibt m<strong>an</strong> ihr e<strong>in</strong>en Satz von Grundaussagen.<br />
Aus diesen werden d<strong>an</strong>n die <strong>mathematische</strong>n Theoreme abgeleitet, auf diesen Fundamenten<br />
wird <strong>das</strong> Gebäude <strong>der</strong> Mathematik entwickelt — theoretisch jedenfalls.<br />
Der Ursprung <strong>der</strong> axiomatischen Mengenlehre liegt <strong>in</strong> den Paradoxien, die die naive<br />
Mengenlehre um die Jahrhun<strong>der</strong>twende geplagt haben, wie etwa die Russellsche Ant<strong>in</strong>omie<br />
( ”<br />
die Menge aller Mengen, die sich nicht selbst enthalten“). Sie wurde 1908 von Zermelo<br />
erfunden, aber mittlerweile hat sie e<strong>in</strong>e große Bedeutung gewonnen. Die Mengenlehre ist die<br />
Basis <strong>für</strong> be<strong>in</strong>ahe die gesamte Mathematik, und ihre Axiomatisierung erlaubt es, diese Basis<br />
e<strong>in</strong>w<strong>an</strong>dfrei zu legen.<br />
Es gibt mehrere verschiedene Axiomensysteme, die alle die naive Mengenlehre präzisieren<br />
aber untere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> fundamentale Unterschiede aufweisen. Wir präsentieren hier die Axiome<br />
von Zermelo und Fraenkel (ZFC), etwa im Gegensatz zu den Systemen von Neum<strong>an</strong>n–<br />
Bernays–Gödel o<strong>der</strong> Morse–Kelley, auch weil die <strong>E<strong>in</strong>führung</strong> von Klassen dadurch vermieden<br />
werden k<strong>an</strong>n.
3.4. AXIOMATISCHE MENGENLEHRE 59<br />
Grundlage <strong>für</strong> die Axiomatisierung <strong>der</strong> Mengenlehre ist die Logik, und obwohl m<strong>an</strong> auch<br />
die Theorie <strong>der</strong> Aussagen (Aussagenlogik, Prädikatenlogik) formal exakt machen könnte,<br />
werden wir hier stoppen und die logischen Grundlagen naiv verwenden. Es sei nur festgehalten,<br />
<strong>das</strong>s alle auftretenden Zeichen Bedeutung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Logik haben (auch =) mit <strong>der</strong> e<strong>in</strong>zigen<br />
Ausnahme ∈, und <strong>das</strong>s ϕ und ψ beliebige Formeln bezeichnen, <strong>der</strong>en Variable <strong>in</strong> Klammern<br />
<strong>an</strong>gegeben werden.<br />
Mit Hilfe <strong>der</strong> ersten sechs ZFC Axiome k<strong>an</strong>n die gesamte endliche Mathematik konstruiert<br />
werden. Sie lauten wie folgt:<br />
ZF1: ∃x : (x = x) (Existenz)<br />
ZF2: ∀x : ∀y : ∀z : ((z ∈ x ⇔ z ∈ y) ⇒ x = y) (Extensionalität)<br />
ZF3: ∀U : ∀p : ∀Z : ∀x : (x ∈ Z ⇔ (x ∈ U ∧ ϕ(x, p))) (Separation)<br />
ZF4: ∀x : ∀y : ∃Z : (x ∈ Z ∧ y ∈ Z) (Paare)<br />
ZF5: ∀F : ∃Z : ∀F : ∀x : ((x ∈ F ∧ F ∈ F) ⇒ x ∈ Z) (Vere<strong>in</strong>igung)<br />
ZF6: ∀U : ∃Z : ∀Y : (∀x : (x ∈ Y ⇒ x ∈ U) ⇒ Y ∈ Z) (Potenzmenge)<br />
Für die Formulierung <strong>der</strong> folgenden Axiome ist e<strong>in</strong> wenig Erklärung von Nöten, und<br />
außerdem müssen wir e<strong>in</strong>ige Abkürzungen e<strong>in</strong>führen. Das Axiom ZF1 stellt sicher, <strong>das</strong>s<br />
Mengen existieren, und ZF2 erklärt, <strong>das</strong>s zwei Mengen genau d<strong>an</strong>n gleich s<strong>in</strong>d, wenn sie<br />
dieselben Elemente haben. Mit Hilfe von ZF3 wird <strong>das</strong> erste Konstruktionsprizip <strong>für</strong> neue<br />
Mengen e<strong>in</strong>geführt, die Auswahl e<strong>in</strong>er Teilmenge Z aus e<strong>in</strong>er gegebenen Menge U mit Hilfe<br />
e<strong>in</strong>er ”<br />
Auswahlregel“ ϕ. Für diese Menge Z führen wir die Abkürzung {x ∈ U | ϕ(x)} e<strong>in</strong>.<br />
Weitere Abkürzungen seien die Formulierungen ∀x ∈ U, die <strong>für</strong> ∀x : x ∈ U stehe, und<br />
∃x ∈ U <strong>für</strong> ∃x : x ∈ U. ZF3 besagt <strong>in</strong> gewisser Art und Weise, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> <strong>für</strong> jedes Element<br />
e<strong>in</strong>er Menge überprüfen k<strong>an</strong>n, ob es e<strong>in</strong>e bestimmte Eigenschaft ϕ aufweist o<strong>der</strong> nicht. Das<br />
ist natürlich nur theoretisch möglich, weshalb dies schon von E. Bishop <strong>in</strong> [Bishop 1967]<br />
als Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Allwissenheit bezeichnet wurde.<br />
Aus ZF4 def<strong>in</strong>ieren wir {x, y} := {z ∈ Z | z = x ∨ z = y} und {x} := {x, x}. Das<br />
Vere<strong>in</strong>igungs–Axiom ZF5 ermöglicht es uns mit Hilfe von F = {X, Y } zu def<strong>in</strong>ieren<br />
X ∪ Y := {z ∈ Z | z ∈ Z ∨ z ∈ Y }.<br />
Drei weitere Symbole müssen wir e<strong>in</strong>führen, um die weiteren Axiome formulieren zu<br />
können. Es s<strong>in</strong>d dies <strong>das</strong> Leere Menge–Symbol ∅ := {z ∈ Z | ¬(z = z)} <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e fixe Menge<br />
Z und S(x) := x ∪ {x}. Schließlich erklären wir <strong>das</strong> (uns bereits naiv bek<strong>an</strong>nte) Symbol ∃!<br />
durch folgende Abkürzungsvere<strong>in</strong>barung<br />
∃!y : ϕ(y) entspreche ∃y : ϕ(y) ∧ (∀y : ∀x : (ϕ(y) ∧ ϕ(x)) ⇒ x = y).<br />
Die drei nächsten Axiome s<strong>in</strong>d d<strong>an</strong>n:<br />
ZF7: ∃Z : ∀X : (∅ ∈ Z ∧ (X ∈ Z ⇒ S(X) ∈ Z)) (Unendlichkeit)<br />
ZF8: ∀U : ∀p : ( ∀x ∈ U : ∃!z : ϕ(x, z, U, p) ⇒<br />
∃Z : ∀x ∈ U : ∃z ∈ Z : ϕ(x, z, U, p) )<br />
(Ersetzung)<br />
ZF9: ∀x : ( ¬(x = ∅) ⇒ ∃y : (y ∈ x ∧ ¬∃z : (z ∈ x ∧ z ∈ y)) ) (Fundierung)<br />
Hier ist wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>iges <strong>an</strong> Erläuterungen von Nöten. ZF7 gar<strong>an</strong>tiert die Existenz e<strong>in</strong>er Menge<br />
mit den Elementen ∅, S(∅), S(S(∅)), . . . . Diese sche<strong>in</strong>bar schräge Konstruktion wird aber<br />
sofort verständlicher, wenn m<strong>an</strong> die Bezeichungen 0 := ∅, 1 := S(∅), 2 := S(S(∅)), und<br />
allgeme<strong>in</strong> n + 1 := S(n) e<strong>in</strong>führt.<br />
ZF8 hat die komplexeste Formel, doch dieses Axiom stellt nichts <strong>an</strong><strong>der</strong>es sicher als <strong>das</strong>s<br />
m<strong>an</strong> aus e<strong>in</strong>er Menge U und e<strong>in</strong>er Zuordnung f, die je<strong>der</strong> Menge x ∈ U e<strong>in</strong>e Menge y zuordnet,<br />
e<strong>in</strong>e weitere Menge als Bild von U unter f konstruieren k<strong>an</strong>n. Dieses Axiom rechtfertigt<br />
auch die Abkürzung {f(x) | x ∈ U} <strong>für</strong> die Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>er Menge.<br />
Das Fundierungsaxiom ZF9 zu guter Letzt schließt unter <strong>an</strong><strong>der</strong>em die Russellsche Ant<strong>in</strong>omie<br />
aus zusammen mit allen Mengen, die <strong>in</strong> gewissem S<strong>in</strong>ne zu groß“ s<strong>in</strong>d. Es werden<br />
”
60 3. LOGIK, MENGENLEHRE<br />
alle Mengen verboten, die sich selbst enthalten o<strong>der</strong> aber Mengen enthalten, die wie<strong>der</strong>um<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>e Mengen enthalten, und so weiter ad <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itum.<br />
Das letzte Axiom von ZFC hat <strong>in</strong> <strong>der</strong> Verg<strong>an</strong>genheit viele Kontroversen verursacht, da<br />
es dem Mathematiker gestattet, auf nicht konstruktivem Weg neue Mengen zu def<strong>in</strong>ieren.<br />
Analog zum Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Allwissenheit könnte m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Axiom auch wie J. Cigler und H.C.<br />
Reichel <strong>in</strong> [Cigler, Reichel 1987] als <strong>das</strong> Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Allmächtigkeit bezeichnen. Heute<br />
akzeptiert e<strong>in</strong> überwiegen<strong>der</strong> Teil <strong>der</strong> Mathematiker dieses Axiom auf Grund se<strong>in</strong>er Verwendbarkeit<br />
und <strong>der</strong> Vielfalt praktischer Theoreme, die zu diesem Axiom äquivalent s<strong>in</strong>d.<br />
Zuvor wir <strong>das</strong> Axiom aber <strong>an</strong>führen benötigen wir e<strong>in</strong>e weitere Abkürzung<br />
F ∩ G := {z ∈ F ∪ G | z ∈ F ∧ z ∈ G}.<br />
Das zehnte Axiom, <strong>das</strong> Auswahlaxiom, ist<br />
ZF10: ∀F : ( ∀H ∈ F : ¬(H = ∅) ∧ ∀F ∈ F : ∀G ∈ F : (F = G ∨ F ∩ G = ∅)<br />
⇒ ∃S : ∀F ∈ F : ∃!s(s ∈ S ∧ s ∈ F ) )<br />
(Auswahl)<br />
Es besagt, <strong>das</strong>s es zu je<strong>der</strong> gegebenen Familie von nichtleeren, paarweise disjunkten Mengen<br />
M i , i ∈ I e<strong>in</strong>e weitere Menge gibt, die aus jedem M i genau e<strong>in</strong> Element enthält.<br />
Diese axiomatische <strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>der</strong> Mengen ist nicht umfassend. An<strong>der</strong>e Axiomensysteme<br />
wie von Neum<strong>an</strong>n–Bernays–Gödel o<strong>der</strong> Morse–Kelley wurden nicht beh<strong>an</strong>delt. Dieser Abschnitt<br />
sollte nur e<strong>in</strong>en kurzen E<strong>in</strong>blick geben e<strong>in</strong> tatsächliches Fundament <strong>der</strong> Mathematik.<br />
Weiterführende Information k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> <strong>in</strong> den Vorlesungen Grundbegriffe <strong>der</strong> Mathematik“<br />
”<br />
und Axiomatische Mengenlehre“ f<strong>in</strong>den.<br />
”
KAPITEL 4<br />
Algebra<br />
In diesem Kapitel widmen wir uns dem Ausbau <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Strukturen. Die hier<br />
def<strong>in</strong>ierten Gruppen, R<strong>in</strong>ge und beson<strong>der</strong>s die Körper bilden die Grundlage <strong>für</strong> die Theorien<br />
<strong>in</strong> L<strong>in</strong>eare Algebra und Analysis.<br />
E<strong>in</strong>ige Abschnitte werden so gehalten se<strong>in</strong> wie dieser Absatz. Diese Teile des Kapitels<br />
haben Informationscharakter und dienen dem Aufbau und <strong>der</strong> Erklärung <strong>der</strong> wirklich wichtigen<br />
Strukturen Gruppe, R<strong>in</strong>g und Körper, die aber jeweils noch e<strong>in</strong>mal eigenständig und<br />
ohne wesentlichen Voraussetzungen beschrieben werden. Das Wissen dieser Absätze wird <strong>für</strong><br />
<strong>das</strong> Verständnis <strong>der</strong> später kommenden Vorlesungen nicht unbed<strong>in</strong>gt benötigt werden.<br />
Schon <strong>in</strong> <strong>der</strong> Zeit <strong>der</strong> Antike haben <strong>in</strong> Griechenl<strong>an</strong>d berühmte Mathematiker gewirkt.<br />
Euklid (ca. 325–265 v.Chr.) (euklidische Geometrie, euklidische Räume) ist heute vor allem<br />
bek<strong>an</strong>nt <strong>für</strong> se<strong>in</strong> Werk ”<br />
Die Elemente“ (13 Bücher), <strong>das</strong> <strong>das</strong> erste bek<strong>an</strong>nte <strong>mathematische</strong><br />
Lehrwerk ist, <strong>in</strong> dem Axiome, Theoreme und Beweise <strong>in</strong> klarer Abfolge vorkommen und<br />
<strong>das</strong> auf rigorosen Umg<strong>an</strong>g mit <strong>der</strong> Mathematik abzielt. Es enthält unter <strong>an</strong><strong>der</strong>em Aussagen<br />
über ebene und räumiche Geometrie (etwa die Platonischen Körper), Zahlentheorie (z.B. den<br />
euklidischen Algorithmus), rationale und irrationale Zahlen. Etwa fünfhun<strong>der</strong>t Jahre später<br />
schrieb Dioph<strong>an</strong>tus von Alex<strong>an</strong>dria (ca. 200–284) (dioph<strong>an</strong>tische Gleichung, dioph<strong>an</strong>tische<br />
Approximation) neben <strong>an</strong><strong>der</strong>en Büchern se<strong>in</strong> 13-bändiges Werk ”<br />
Arithmetica“, von<br />
dessen Name unser heutiges ”<br />
Arithmetik“ abgeleitet ist. In diesem machte er als erster e<strong>in</strong>en<br />
Schritt <strong>in</strong> Richtung mo<strong>der</strong>ner Algebra. Er studierte l<strong>in</strong>eare und quadratische Gleichungen<br />
sowie zahlentheoretische Probleme. Da aber zu se<strong>in</strong>er Zeit die Null noch nicht erfunden war<br />
und <strong>das</strong> Konzept negativer Zahlen noch <strong>in</strong> weiter Ferne lag, war die Beh<strong>an</strong>dlung dieser Gleichungen<br />
noch auf Fallunterscheidungen <strong>an</strong>gewiesen. Darüber h<strong>in</strong>aus erschienen ihm e<strong>in</strong>ige<br />
dieser Gleichungen als s<strong>in</strong>nlos, etwa 4 = 4x + 20, weil sie ke<strong>in</strong>e (d.h. negative) Lösungen<br />
hatten. Auch <strong>das</strong> ”<br />
Buchstabenrechnen“ hatte er noch nicht e<strong>in</strong>geführt, und es gab noch ke<strong>in</strong><br />
praktisches Zahlensystem. Alle Theoreme und Rechnungen wurden <strong>in</strong> Worten präsentiert.<br />
Weitere fünfhun<strong>der</strong>t Jahre später verfasste <strong>der</strong> arabische Mathematiker Abu Abd Allah<br />
Mohammed Ibn Musa Al-Khwarizmi (ca. 780–850), Hofmathematiker <strong>in</strong> Bagdad, se<strong>in</strong><br />
Hauptwerk ”<br />
al-kitab almukhtamar fi hisab al-jabr wa’l-muqabala“, zu deutsch ”<br />
Kurzgefasstes<br />
Buch über <strong>das</strong> Rechnen durch Vervollständigen und Ausgleichen“. E<strong>in</strong> weiterer Meilenste<strong>in</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik (nicht primär im Inhalt aber bestimmt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wirkung), beschreibt<br />
dieses Buch die vollständige Beh<strong>an</strong>dlung <strong>der</strong> l<strong>in</strong>earen und quadratischen Gleichungen, auch<br />
die negativen Fälle, beide Lösungen, aber noch immer ohne die Verwendung von Null und negativen<br />
Zahlen. Auch <strong>das</strong> Rechnen mit Buchstaben wurde zu dieser Zeit noch nicht erfunden.<br />
Allerd<strong>in</strong>gs wurden zum ersten Mal detaillierte Rechenschritte zur Lösung <strong>mathematische</strong>r<br />
Probleme <strong>an</strong>gegeben. Außerdem wurde <strong>das</strong> h<strong>in</strong>duistische Zahlensystem (die heutigen arabischen<br />
Zahlen) mit den Ziffern 0 bis 9 und den Dezimalstellen zum ersten Mal ausführlich<br />
erklärt. Im zwölften Jahrhun<strong>der</strong>t wurde es <strong>in</strong> Late<strong>in</strong> übersetzt und beg<strong>in</strong>nt dort mit den<br />
Worten ”<br />
Dixit Algoritmi“ (Al-Khwarizmi hat gesagt). Aus dieser Late<strong>in</strong>isierung des Herkunftsnamens<br />
von Al-Khwarizmi (Khwarizm, <strong>das</strong> heutige Khiva südlich des Aralsees <strong>in</strong> Usbekist<strong>an</strong><br />
und Turkmenist<strong>an</strong>) wird übrigens <strong>das</strong> Wort Algorithmus <strong>für</strong> <strong>das</strong> schrittweise Lösen<br />
<strong>mathematische</strong>r Probleme abgeleitet. Teile des arabischen Titels, beson<strong>der</strong>s <strong>das</strong> al-jabr,<br />
61
62 4. ALGEBRA<br />
wurden auch <strong>in</strong> späteren Büchern arabischer Mathematiker verwendet, und so wurde über<br />
viele Zwischenstufen aus dem arabischen al-jabr (Auffüllen, Vervollständigen) <strong>das</strong> mo<strong>der</strong>ne<br />
Wort Algebra.<br />
Heute versteht m<strong>an</strong> unter Algebra vor allem die <strong>mathematische</strong> Theorie von Strukturen,<br />
und was <strong>das</strong> genau ist, wollen wir uns <strong>in</strong> den nächsten Abschnitten genauer <strong>an</strong>sehen.<br />
4.1. Motivation<br />
Alle hier besprochenen Strukturen basieren auf dem Mengenkonzept. Es s<strong>in</strong>d Mengen<br />
zusammen mit Abbildungen, die bestimmte Eigenschaften aufweisen.<br />
Beispiel 4.1.1.<br />
• Sei W die Menge aller Hauptwörter <strong>der</strong> deutschen Sprache. Wählt m<strong>an</strong> zwei Wörter<br />
aus W , d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> (meist) durch (fast bloßes) H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>setzen e<strong>in</strong> weiteres<br />
Wort aus W erzeugen. Wir können etwa aus ”<br />
Leiter“ und ”<br />
Sprosse“ <strong>das</strong> Wort<br />
” Leitersprosse“ bilden. Auch ” Dampf“ und ” Schiff“ lassen sich zu ” Dampfschiff“<br />
verb<strong>in</strong>den, ”<br />
Schiff“ und ”<br />
Kapitän“ ergeben ”<br />
Schiffskapitän“.<br />
• Sei S die Menge aller Strichblöcke. E<strong>in</strong> Strichblock ist e<strong>in</strong>fach e<strong>in</strong>e Ansammlung<br />
h<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> geschriebener gleich l<strong>an</strong>ger Striche:<br />
s = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣<br />
Fügen wir zwei Strichblöcke <strong>an</strong>e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>, d<strong>an</strong>n erhalten wir wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>en (längeren)<br />
Strichblock.<br />
• Sei T die Menge aller Möglichkeiten, e<strong>in</strong> Objekt im dreidimensionalen Raum geradl<strong>in</strong>ig<br />
zu verschieben, also die Menge <strong>der</strong> Tr<strong>an</strong>slationen. Bei <strong>der</strong> Betrachtung solcher<br />
Verschiebungen können wir uns auf <strong>der</strong>en Richtung und Länge beschränken. Zusammen<br />
mit <strong>der</strong> Position des Objekts vor <strong>der</strong> Tr<strong>an</strong>slation ist es uns d<strong>an</strong>n leicht möglich,<br />
se<strong>in</strong>e Endposition zu bestimmen. Verschieben wir e<strong>in</strong> Objekt zweimal, so hätten wir<br />
dieselbe Endposition auch mit e<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>zigen Tr<strong>an</strong>slation erreichen können. Das<br />
H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>-Ausführen von Tr<strong>an</strong>slationen ist also wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Tr<strong>an</strong>slation.<br />
• Betrachten wir wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Gegenst<strong>an</strong>d. Wir wählen e<strong>in</strong>e beliebige Gerade g, die<br />
durch se<strong>in</strong>en Schwerpunkt geht. D<strong>an</strong>n geben wir uns e<strong>in</strong>en W<strong>in</strong>kel ϕ vor und verdrehen<br />
<strong>das</strong> Objekt bezüglich <strong>der</strong> Drehachse g um den W<strong>in</strong>kel ϕ. Die Menge aller dieser<br />
Drehungen sei D. Wie bei den Tr<strong>an</strong>slationen ergibt <strong>das</strong> H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>-Ausführen<br />
zweier Drehungen wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Drehung.<br />
• Sei M M = Abb(M) die Menge aller Abbildungen von M nach M. Die H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>-<br />
Ausführung ◦ von Abbildungen ist e<strong>in</strong>e Verknüpfung auf Abb(M).<br />
• Wenn wir zwei natürliche Zahlen addieren o<strong>der</strong> multiplizieren, erhalten wir wie<strong>der</strong><br />
e<strong>in</strong>e natürliche Zahl.<br />
• Auch <strong>das</strong> Produkt und die Summe zweier g<strong>an</strong>zer Zahlen ist e<strong>in</strong>e g<strong>an</strong>ze Zahl.<br />
• Auch reelle Zahlen können wir addieren und multiplizieren, um e<strong>in</strong>e neue reelle Zahl<br />
zu berechnen.<br />
• Sei M 2 ) die Menge aller 2 × 2–Matrizen reeller Zahlen. E<strong>in</strong>e 2 × 2–Matrix (£<br />
ist<br />
dabei e<strong>in</strong> kle<strong>in</strong>es Zahlenquadrat <strong>der</strong> Form<br />
( )<br />
a11 a 12<br />
a 21 a 22<br />
aus Zahlen a ij ∈ . Wir £ def<strong>in</strong>ieren die Summe zweier Matrizen komponentenweise<br />
( ) ( ) ( )<br />
a11 a 12 b11 b<br />
+<br />
12 a11 + b<br />
:=<br />
11 a 12 + b 12<br />
a 21 a 22 b 21 b 22 a 21 + b 21 a 22 + b 22<br />
und erhalten wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e 2 × 2–Matrix.
4.1. MOTIVATION 63<br />
• Auf M 2 ) k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch e<strong>in</strong> Produkt (£<br />
e<strong>in</strong>führen, <strong>das</strong> aus zwei Matrizen e<strong>in</strong>e weitere<br />
Matrix berechnet. Die Def<strong>in</strong>ition ist nicht-trivial und lautet<br />
( ) ( ) ( )<br />
a11 a 12 b11 b<br />
·<br />
12 a11 b<br />
:= 11 + a 12 b 21 a 11 b 12 + a 12 b 22<br />
.<br />
a 21 a 22 b 21 b 22 a 21 b 11 + a 22 b 21 a 21 b 12 + a 22 b 22<br />
Visualisieren k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sich die Verknüpfung <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d <strong>der</strong> grauen Pfeile <strong>in</strong> Abbil-<br />
( ) . ( ) =(<br />
a<br />
a<br />
a<br />
11 12<br />
a<br />
21 22<br />
b<br />
b<br />
b<br />
11 12<br />
b<br />
21 22<br />
a b +a b<br />
11 11<br />
a b +a b<br />
21<br />
11<br />
12 21<br />
22 21<br />
a b +a b<br />
11 21 12 22<br />
a b +a b<br />
21 12 22 22)<br />
Abbildung 4.1. Multiplikation von Matrizen<br />
dung 4.1. Um etwa den hellsten E<strong>in</strong>trag <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ergebnismatrix zu erhalten, w<strong>an</strong><strong>der</strong>t<br />
m<strong>an</strong> die hellsten Pfeile <strong>in</strong> den beiden Faktoren entl<strong>an</strong>g. D<strong>an</strong>n berechnet m<strong>an</strong> <strong>das</strong><br />
Produkt <strong>der</strong> ersten Zahl l<strong>in</strong>ks mit <strong>der</strong> ersten Zahl im Pfeil rechts, <strong>das</strong> <strong>der</strong> zweiten<br />
Zahl im l<strong>in</strong>ken Pfeil mit <strong>der</strong> zweiten Zahl im rechten Pfeil und summiert die<br />
Ergebnisse.<br />
• Sei F P 2 die Menge aller rationalen Zahlen, die sich schreiben lassen als ±0.z 1 z 2 ·10 e<br />
mit Ziffern z 1 und z 2 und g<strong>an</strong>zzahligem Exponentem e. Diese Zahlen heißen auch<br />
dezimale Gleitkommazahlen mit zwei signifik<strong>an</strong>ten Stellen. Addieren wir zwei solche<br />
Zahlen, erhalten wir wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e rationale Zahl. Diese Zahl lässt sich aber meist<br />
nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong> obigen Form schreiben:<br />
0.23 + 4.5 = 4.73.<br />
Wir zw<strong>in</strong>gen <strong>das</strong> Ergebnis nun <strong>in</strong> die Gleitkommaform, <strong>in</strong>dem wir runden. D<strong>an</strong>n<br />
wird<br />
0.23 + 4.5 = 4.73 ≈ 4.7, 0.23 ⊕ 4.5 = 4.7,<br />
und mit dieser verän<strong>der</strong>ten Addition ⊕ (Addition mit Runden), ergibt die Summe<br />
zweier Elemente von F P 2 wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Gleitkommazahl mit zwei signifik<strong>an</strong>ten Stellen.<br />
Alle diese Beispiele haben e<strong>in</strong>es geme<strong>in</strong>sam. Wir starten mit e<strong>in</strong>er Menge M und e<strong>in</strong>er<br />
Methode, wie wir aus zwei Elementen von M e<strong>in</strong> weiteres Element von M erzeugen.<br />
Mathematisch notiert, entsprechen also alle beschriebenen Beispiele <strong>der</strong> <strong>in</strong> Def<strong>in</strong>ition 4.1.2<br />
e<strong>in</strong>geführten Struktur.<br />
Die Stärke, die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition solcher Strukturen liegt, ist <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> die Eigenschaften<br />
<strong>der</strong> Struktur und Konsequenzen aus diesen Eigenschaften unabhängig vom tatsächlichen<br />
Beispiel untersuchen k<strong>an</strong>n. Die Ergebnisse dieser Untersuchung lassen sich d<strong>an</strong>n auf alle zu<br />
dieser Struktur passenden Beispiele <strong>an</strong>wenden und erlauben es dadurch, auch neue Erkenntnissen<br />
über die Beispiele zu gew<strong>in</strong>nen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.1.2. Sei G e<strong>in</strong>e Menge. E<strong>in</strong>e Verknüpfung auf G ist e<strong>in</strong>e Abbildung<br />
◦ : G × G → G. An Stelle von ◦(g, h) <strong>für</strong> zwei Elemente g, h ∈ M schreiben wir g ◦ h, und<br />
wir nennen <strong>das</strong> Bild von (g, h) <strong>das</strong> Ergebnis <strong>der</strong> Verknüpfung.<br />
Wenn wir die Menge zusammen mit ihrer Verknüpfung untersuchen, so schreiben wir<br />
meist (G, ◦) und nennen sie Gruppoid (o<strong>der</strong> Magma).<br />
Unter <strong>der</strong> Ordnung |G| e<strong>in</strong>es Gruppoids verstehen wir die Anzahl se<strong>in</strong>er Elemente.<br />
Betrachten wir mehr als e<strong>in</strong>e Verknüpfung auf <strong>der</strong> Menge G, so nehmen wir auch die<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>en Verknüpfungssymbole <strong>in</strong> die Bezeichnung auf, z.B. (B, ∧, ∨).
£<br />
Z p<br />
¤ ¥<br />
64 4. ALGEBRA<br />
Verknüpfungen von Elementen werden meist mit Symbolen bezeichnet. Typische Symbole<br />
s<strong>in</strong>d ◦, +, ·, ∗, ⊕, ⊗, ⊡, ⊛,. . .<br />
Wird die Verknüpfung mit ◦ o<strong>der</strong> mit · bezeichnet, so lässt m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Verknüpfungssymbol<br />
meist weg, sofern ke<strong>in</strong>e Mehrdeutigkeiten bestehen. M<strong>an</strong> schreibt d<strong>an</strong>n statt g ◦h e<strong>in</strong>fach gh.<br />
Kommen ◦ und · vor und ist <strong>das</strong> Verknüpfungszeichen weggelassen worden, so wurde immer<br />
auf e<strong>in</strong> · verzichtet. Z.B. darf m<strong>an</strong> statt (g ◦ h) · k schreiben (g ◦ h)k. Falsch wäre (gh) · k.<br />
Alle Strukturen <strong>in</strong> diesem Abschnitt bauen aufe<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> auf. Je mehr Eigenschaften e<strong>in</strong>e<br />
Struktur aufweist, desto spezieller ist sie. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n aus e<strong>in</strong>er spezielleren Struktur immer<br />
e<strong>in</strong>e allgeme<strong>in</strong>ere machen, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> die Eigenschaften, die ”<br />
zuviel“ s<strong>in</strong>d, e<strong>in</strong>fach vergisst. So<br />
ist etwa jede Gruppe (siehe Def<strong>in</strong>ition 4.2.15) auch e<strong>in</strong>e Halbgruppe (siehe Def<strong>in</strong>ition 4.2.2).<br />
Die Abbildung 4.2 gibt e<strong>in</strong> grobes Diagramm <strong>der</strong> Strukturhierarchie wie wir sie <strong>in</strong> diesem<br />
Abschnitt kennen lernen werden. In dieser Abbildung sehen wir, <strong>das</strong>s zusätzlich gefor<strong>der</strong>te<br />
Körper<br />
(+Inverse(·))<br />
¡ ¥©<br />
Integritätsbereich<br />
(+nullteilerfrei)<br />
M 2 (£ )<br />
R<strong>in</strong>g mit<br />
E<strong>in</strong>selement<br />
R<strong>in</strong>g<br />
K 4<br />
T<br />
( , +)<br />
Triv(M)<br />
kommutativ<br />
(+KG(+))<br />
S n D<br />
Gruppe (+Inverse(+))<br />
M M<br />
Monoid (+0–element)<br />
kommutativ<br />
(+KG(·))<br />
¥ ¦<br />
Dioid (+1–element)<br />
Halbr<strong>in</strong>g (+AG(·),<br />
DG(·,+))<br />
W<br />
Halbgruppe (+AG(+))<br />
F P 2<br />
Gruppoid<br />
Abbildung 4.2. Hierarchie e<strong>in</strong>iger algebraischer Strukturen<br />
Eigenschaften, jeweils <strong>an</strong>gedeutet durch e<strong>in</strong> Rechteck, die Menge <strong>der</strong> passenden Strukturen<br />
e<strong>in</strong>schränken. Es gilt aber immer, <strong>das</strong>s speziellere Strukturen eben speziellere Vari<strong>an</strong>ten von<br />
weniger speziellen Strukturen s<strong>in</strong>d. So ist, wie <strong>in</strong> diesem Bild zu sehen ist, je<strong>der</strong> Körper auch<br />
e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g und je<strong>der</strong> R<strong>in</strong>g auch e<strong>in</strong>e kommutative Gruppe und erst recht e<strong>in</strong> Gruppoid.
4.2. GRUPPEN 65<br />
4.2. Gruppen<br />
In diesem Abschnitt wollen wir uns zunächst auf Mengen zusammen mit e<strong>in</strong>er Verknüpfung<br />
beschränken.<br />
Beispiel 4.2.1.<br />
• Sei (W, ◦) die Menge aller Hauptwörter <strong>der</strong> deutschen Sprache mit dem H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>setzen<br />
als Verknüpfung. M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n natürlich auch zusammengesetzte Hauptwörter<br />
mit weiteren Wörtern verknüpfen und dadurch längere (mehrfach) zusammengesetzte<br />
Wörter konstruieren. Dampf“ und Schiffskapitän“ liefern etwa Dampfschiffskapitän“.<br />
Wenig überraschend setzen sich auch Dampfschiff“ und Kapitän“ zu<br />
” ”<br />
” ” ”<br />
Dampfschiffskapitän“ zusammen. Wir sehen also, <strong>das</strong>s <strong>das</strong> Ergebnis beim H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>setzen<br />
von Dampf“, Schiff“ und Kapitän“ <strong>das</strong> Wort Dampfschiffska-<br />
” ” ” ”<br />
”<br />
pitän“ ergibt und <strong>das</strong> unabhängig von <strong>der</strong> Reihenfolge des Zusammensetzens.<br />
• Auch beim Zusammensetzen von drei Strichblöcken kommt es nicht darauf <strong>an</strong>, ob<br />
zuerst die ersten beiden zusammengefasst werden und d<strong>an</strong>ach <strong>der</strong> dritte h<strong>in</strong>zugefügt<br />
wird, o<strong>der</strong> ob zuerst die beiden h<strong>in</strong>teren verknüpft werden und d<strong>an</strong>ach <strong>der</strong> erste<br />
Strichblock dar<strong>an</strong> gehängt wird.<br />
• Ebenso verhält sich die Verknüpfung zweier Tr<strong>an</strong>slationen o<strong>der</strong> Drehungen.<br />
• Allgeme<strong>in</strong> ist <strong>das</strong> H<strong>in</strong>tere<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong>-Ausführen von Abbildungen assoziativ (<strong>das</strong> haben<br />
wir schon <strong>in</strong> Abschnitt 3.3.3 beobachtet).<br />
• Auch bei <strong>der</strong> Addition natürlicher Zahlen und bei <strong>der</strong> Multiplikation reeller Zahlen<br />
macht es ke<strong>in</strong>en Unterschied, welche e<strong>in</strong>er Reihe von Verknüpfungen zuerst ausgeführt<br />
wird.<br />
• Für 2 × 2–Matrizen müssen wir überprüfen, ob + diese Eigenschaft auch besitzt.<br />
Nehmen wir Elemente A, B und C aus (M 2 ), +). D<strong>an</strong>n (£<br />
f<strong>in</strong>den wir<br />
( )) ( ) ( )<br />
b11 b 12 c11 c<br />
+<br />
12 a11 + b<br />
=<br />
11 a 12 + b 12<br />
+<br />
b 21 b 22 c 21 c 22 a 21 + b 21 a 22 + b 22<br />
( )<br />
a11 + b 11 + c 11 a 12 + b 12 + c 12<br />
=<br />
a 21 + b 21 + c 21 a 22 + b 22 + c 22<br />
( ) ( ) ( ) (( )<br />
a11 a 12 b11 + c<br />
+<br />
11 b 12 + c 12 a11 a<br />
=<br />
12 b11 b<br />
+<br />
12<br />
+<br />
a 21 a 22 b 21 + c 21 b 22 + c 22 a 21 a 22 b 21 b 22<br />
(( )<br />
a11 a 12<br />
+<br />
a 21 a 22<br />
( )<br />
c11 c 12<br />
=<br />
c 21 c 22<br />
( ))<br />
c11 c 12<br />
c 21 c 22<br />
• Auch <strong>in</strong> (M 2 ), ·) verhält es sich ähnlich.<br />
(£<br />
• Nun zum letzten Beispiel. Wir betrachten die (§ Menge 2, ⊕) <strong>der</strong> Gleitkommazahlen<br />
mit zwei signifik<strong>an</strong>ten Stellen und <strong>der</strong> Addition mit Runden. In diesem Fall kommt<br />
es sehr wohl auf die Reihenfolge <strong>der</strong> Verknüpfungen <strong>an</strong>, denn<br />
(0.47 ⊕ 0.57) ⊕ 0.88 = 1.0 ⊕ 0.88 = 1.9<br />
0.47 ⊕ (0.57 ⊕ 0.88) = 0.47 ⊕ 1.5 = 2.0<br />
liefert verschiedene Resultate.<br />
Wir erkennen also: Die Eigenschaft, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> auf die genaue Festlegung <strong>der</strong> Verknüpfungsreihenfolge<br />
verzichten k<strong>an</strong>n, ist zwar sehr oft aber nicht immer erfüllt. Darum führen wir <strong>für</strong><br />
solche speziellere Strukturen e<strong>in</strong>en neuen Begriff e<strong>in</strong>.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.2. E<strong>in</strong> Gruppoid (G, ◦) heißt Halbgruppe, falls die Verknüpfung assoziativ<br />
ist, also <strong>das</strong> Assoziativgesetz<br />
∀g, h, k ∈ G : (g ◦ h) ◦ k = g ◦ (h ◦ k)<br />
gilt. In diesem Fall ist <strong>das</strong> Setzen von Klammern nicht notwendig, und wir dürfen <strong>an</strong> Stelle<br />
von (g ◦ h) ◦ k e<strong>in</strong>fach g ◦ h ◦ k schreiben.
66 4. ALGEBRA<br />
Beispiel 4.2.3.<br />
• Wie schon erwartet bilden die Mengen W , S, T und D mit den <strong>in</strong> Beispiel 4.1.1<br />
def<strong>in</strong>ierten Verknüpfungen Halbgruppen, ebenso wie Abb(M).<br />
• Natürlich s<strong>in</strong>d auch ( , +), ( , ·), (¡ , +), (¡ , ·) und (£ , +) und (£ , ·) Halbgruppen.<br />
• Auch (M 2 (£ ), +) und (M 2 (£ ), ·) s<strong>in</strong>d Halbgruppen.<br />
• Ke<strong>in</strong>e Halbgruppe ist etwa die Menge (F P 2 , ⊕) <strong>der</strong> Gleitkommazahlen mit <strong>der</strong> Addition<br />
mit Runden.<br />
• Immer nach <strong>der</strong> <strong>E<strong>in</strong>führung</strong> e<strong>in</strong>er Struktur k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> untersuchen, welche Objekte<br />
diese Struktur beschreibt. Meist k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> schnell sehr e<strong>in</strong>fach gebaute Objekte f<strong>in</strong>den,<br />
die dazu passen. Abgesehen von <strong>der</strong> Halbgruppe, die nur e<strong>in</strong> Element besitzt,<br />
gibt es auch noch e<strong>in</strong>e <strong>an</strong><strong>der</strong>e ”<br />
triviale“ Halbgruppe. Sei nämlich M e<strong>in</strong>e beliebige<br />
Menge und m ∈ M e<strong>in</strong> Element, d<strong>an</strong>n def<strong>in</strong>iert m 1 ◦ m 2 := m <strong>für</strong> alle m 1 , m 2 ∈ M<br />
e<strong>in</strong>e assoziative Verknüpfung auf M, also e<strong>in</strong>e Halbgruppe, die wir hier mit Triv(M)<br />
bezeichnen wollen.<br />
Wenn wir die <strong>mathematische</strong>n Beispiele , ¡ und £ betrachten, d<strong>an</strong>n wissen wir aus<br />
unserer Erfahrung, <strong>das</strong>s es die speziellen Elemente 0 und 1 gibt, die bei Addition bzw.<br />
Multiplikation spezielles Verhalten zeigen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.4. Sei (G, ◦) e<strong>in</strong> Gruppoid. E<strong>in</strong> Element e ∈ G heißt L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement<br />
(l<strong>in</strong>ksneutrales Element), falls die Beziehung<br />
∀g ∈ G : e ◦ g = g<br />
stimmt.<br />
Das Element e ∈ G heißt Rechtse<strong>in</strong>selement (rechtsneutrales Element), wenn sich<br />
bei Verknüpfung von rechts nichts än<strong>der</strong>t:<br />
∀g ∈ G : g ◦ e = g<br />
Das Element e ∈ G heißt E<strong>in</strong>selement o<strong>der</strong> neutrales Element, falls es L<strong>in</strong>ks- und<br />
Rechtse<strong>in</strong>selement ist. Wird die Verknüpfung mit + bezeichnet (additiv geschrieben), so bezeichnet<br />
m<strong>an</strong> e oft mit 0 o<strong>der</strong> und nennt es Nullelement. E<strong>in</strong>selemente bezüglich multiplikativ<br />
geschriebener Verknüpfungen erhalten auch oft die Bezeichung 1 ¨ o<strong>der</strong> .<br />
Beispiel 4.2.5.<br />
• Für die Addition von Zahlen ist klarerweise 0 <strong>das</strong> Nullelement, und <strong>für</strong> die Multiplikation<br />
von Zahlen ist 1 <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement.<br />
• Die Menge T enthält die Tr<strong>an</strong>slation <strong>der</strong> Länge 0, welche <strong>das</strong> Objekt nicht von <strong>der</strong><br />
Stelle bewegt. Sie ist <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement von T .<br />
• Die Drehung um 0 Grad (die Achse ist dabei unerheblich) ist <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement <strong>der</strong><br />
Halbgruppe D.<br />
• In <strong>der</strong> Menge <strong>der</strong> ¨ Abbildungen Abb(M) bildet die Identität M auf M <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement.<br />
• Führt m<strong>an</strong> nicht künstlich leere Hauptwörter o<strong>der</strong> leere Strichblöcke e<strong>in</strong>, so enthalten<br />
W und S ke<strong>in</strong>e ( neutralen ) Elemente.<br />
0 0<br />
• Die Nullmatrix ist <strong>das</strong> Nullelement von (M<br />
0 0<br />
2 ), (£ +).<br />
( )<br />
1 0<br />
• Auch (M 2 ), ·) hat e<strong>in</strong> (£<br />
E<strong>in</strong>selement, nämlich die E<strong>in</strong>heitsmatrix .<br />
0 1<br />
• Die Menge F P 2 hat allerd<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong>e Nullelement. Die Zahl 0 ist <strong>in</strong> F P 2 enthalten<br />
und besitzt alle Eigenschaften e<strong>in</strong>es neutralen Elements.
4.2. GRUPPEN 67<br />
Nach Def<strong>in</strong>ition 4.2.4 können wir uns schon e<strong>in</strong>mal fragen, welche Konsequenzen die<br />
Existenz e<strong>in</strong>es E<strong>in</strong>selements hat. Die ersten beiden Ergebnisse f<strong>in</strong>den wir <strong>in</strong> den folgenden<br />
Propositionen. Beim Beweis <strong>der</strong>selben, sowie bei den übrigen Beweisen <strong>in</strong> diesem Abschnitt<br />
müssen wir genauestens auf die Eigenschaften achten, die wir verwenden dürfen. E<strong>in</strong>er <strong>der</strong><br />
beliebtesten Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> Algebra ist, <strong>in</strong> Beweisen ohne zu zögern Eigenschaften <strong>der</strong> Verknüpfung<br />
zu verwenden, die gar nicht erfüllt s<strong>in</strong>d — also Achtung!<br />
Die Stärke <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Strukturtheorie gilt es auszunützen. Wir wollen zum Beispiel<br />
die <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Frage be<strong>an</strong>tworten, ob <strong>in</strong> all unseren Beispielen <strong>das</strong> <strong>an</strong>gegebene E<strong>in</strong>selement<br />
<strong>das</strong> e<strong>in</strong>zige Element <strong>der</strong> Grundmenge ist, <strong>das</strong> die Neutralitätseigenschaft aufweist.<br />
Um nicht jedes Beispiel e<strong>in</strong>zeln untersuchen zu müssen, verwenden wir nur die Struktureigenschaften<br />
<strong>für</strong> den Beweis.<br />
Proposition 4.2.6. Ist (G, ◦) e<strong>in</strong> Gruppoid mit L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement e L und Rechtse<strong>in</strong>selement<br />
e R , so besitzt G e<strong>in</strong> E<strong>in</strong>selement e, und es gilt e = e L = e R . Speziell folgt daraus, <strong>das</strong>s<br />
<strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement e<strong>in</strong>es Gruppoides immer e<strong>in</strong>deutig bestimmt ist, falls es existiert.<br />
Beweis. Es gilt e L = e L e R , da e R e<strong>in</strong> Rechtse<strong>in</strong>selement ist, und weil e L l<strong>in</strong>ksneutral<br />
ist, haben wir e L e R = e R . Aus diesen Gleichungen sieht m<strong>an</strong> aber sofort e L = e R . Setzen<br />
wir e = e L = e R , so erhalten wir <strong>das</strong> gewünschte E<strong>in</strong>selement. Gäbe es zwei E<strong>in</strong>selemente e 1<br />
und e 2 , so wäre jedes l<strong>in</strong>ks- und rechtsneutral, und aus dem bereits gezeigten würde e 1 = e 2<br />
folgen. Daher ist e e<strong>in</strong>deutig bestimmt.<br />
□<br />
Das folgende Resultat ist ebenfalls wichtig.<br />
Proposition 4.2.7. E<strong>in</strong> (L<strong>in</strong>ks-, Rechts-) E<strong>in</strong>selement e e<strong>in</strong>es Gruppoids (G, ◦) ist immer<br />
idempotent. E<strong>in</strong> Element g ∈ G heißt idempotent, falls g ◦ g = g gilt.<br />
Beweis. Es gilt e ◦ e = e, weil e (L<strong>in</strong>ks-, Rechts-) E<strong>in</strong>selement ist.<br />
□<br />
Nachdem E<strong>in</strong>selemente häufig <strong>an</strong>zutreffen s<strong>in</strong>d, hat m<strong>an</strong> Halbgruppen, die e<strong>in</strong> solches<br />
enthalten, e<strong>in</strong>en eigenen Namen gegeben.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.8. Ist (G, ◦) e<strong>in</strong>e Halbgruppe und existiert e<strong>in</strong> E<strong>in</strong>selement e ∈ G, so<br />
nennt m<strong>an</strong> G auch Monoid und schreibt (G, ◦, e).<br />
Beispiel 4.2.9. Sowohl ( , +) als auch ( , ·) s<strong>in</strong>d Monoide. Auch (¡ , +), (¡ , ·), (£ , +),<br />
(£ , ·) s<strong>in</strong>d Monoide, so wie (Abb(M), ◦) und T bzw. D aus Beispiel 4.1.1.<br />
Die Menge (F P 2 , ⊕) ist ke<strong>in</strong> Monoid. Sie besitzt zwar e<strong>in</strong> neutrales Element, hat aber<br />
ke<strong>in</strong>e assoziative Verknüpfung.<br />
W und S s<strong>in</strong>d ebenfalls ke<strong>in</strong>e Monoide, weil sie ke<strong>in</strong> neutrales Element besitzen. Wir<br />
könnten aber durch H<strong>in</strong>zufügung des leeren Hauptwortes bzw. des leeren Strichblockes E<strong>in</strong>selemente<br />
<strong>in</strong> W und S def<strong>in</strong>ieren.<br />
Auf diese Weise k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> übrigens aus je<strong>der</strong> Halbgruppe durch H<strong>in</strong>zufügen ( Adjungieren)<br />
e<strong>in</strong>es neutralen Elements e<strong>in</strong> Monoid machen.<br />
Fahren wir fort, die verschiedenen Beispiele mite<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> zu vergleichen. Vielleicht können<br />
wir noch weitere Eigenschaften <strong>der</strong> Verknüpfungen isolieren.<br />
Da stoßen wir übrigens auf e<strong>in</strong> wichtiges <strong>mathematische</strong>s Pr<strong>in</strong>zip. Wir spüren e<strong>in</strong>e Eigenschaft<br />
auf, geben ihr e<strong>in</strong>en Namen und machen sie so reif <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e Untersuchung. Kreative<br />
Namensgebung ist bereits <strong>der</strong> erste Schritt zur erfolgreichen Beh<strong>an</strong>dlung e<strong>in</strong>er Theorie. Die<br />
Kreativität liegt dabei natürlich mehr darauf, was und nicht darauf wie etwas ben<strong>an</strong>nt wird<br />
— meist jedenfalls. Hätte zum Beispiel <strong>der</strong> amerik<strong>an</strong>ische Physiker die kle<strong>in</strong>en Teilchen, aus<br />
denen die Elementarteilchen aufgebaut s<strong>in</strong>d, nicht Aces gen<strong>an</strong>nt, wäre <strong>der</strong> Name George<br />
Zweig heute berühmt und nicht <strong>der</strong> Name Murray Gell-M<strong>an</strong>n, <strong>der</strong> zur selben Zeit wie Zweig<br />
die Theorie <strong>der</strong> Quarks entdeckt aber den erfolgreicheren Namen gewählt hat.
68 4. ALGEBRA<br />
Beispiel 4.2.10. Wenn wir die Verknüpfungen untersuchen, die wir seit Beispiel 4.1.1<br />
betrachten, d<strong>an</strong>n fällt <strong>an</strong> m<strong>an</strong>chen e<strong>in</strong>e weitere Beson<strong>der</strong>heit auf.<br />
• Am ehesten offensichtlich ist es bei den Zahlenmengen. In allen Beispielen von<br />
( , +) bis , ·) k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> erkennen, <strong>das</strong>s es beim Addieren und Multiplizieren auf<br />
(£<br />
die Reihenfolge <strong>der</strong> Oper<strong>an</strong>den nicht <strong>an</strong>kommt. Je<strong>der</strong> weiß, <strong>das</strong>s etwa 4 + 5 = 5 + 4<br />
und 3 · 6 = 6 · 3 gelten.<br />
• Die Tr<strong>an</strong>slationen T haben ebenfalls diese Eigenschaft. Egal welche von zwei Tr<strong>an</strong>slationen<br />
zuerst durchgeführt wird, <strong>das</strong> verschobene Objekt wird am selben Platz l<strong>an</strong>den.<br />
• Drehungen s<strong>in</strong>d allerd<strong>in</strong>gs <strong>an</strong><strong>der</strong>s: Legen wir <strong>das</strong> Koord<strong>in</strong>atenkreuz so, <strong>das</strong>s Ursprung<br />
und Schwerpunkt des zu drehenden Objektes zusammen fallen. Drehen wir<br />
zuerst um 90 ◦ um die x 1 –Achse und d<strong>an</strong>ach um 90 ◦ um die x 3 –Achse, so ergibt <strong>das</strong><br />
e<strong>in</strong>e Gesamtdrehung um die Achse, die durch den Punkt (1, −1, 1) geht, um den<br />
W<strong>in</strong>kel 120 ◦ . Vertauscht m<strong>an</strong> die beiden Drehungen, d<strong>an</strong>n ergibt sich e<strong>in</strong>e Gesamtdrehung<br />
um die Achse durch den Punkt (1, 1, 1) wie<strong>der</strong> um den W<strong>in</strong>kel 120 ◦ . Die<br />
Reihenfolge, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Drehungen ausgeführt werden, ist also wesentlich.<br />
• Auch Abbildungen darf m<strong>an</strong> nicht e<strong>in</strong>fach £ vertauschen. £ S<strong>in</strong>d etwa f : → , f :<br />
x ↦→ x 2 £ und g : → , g : x ↦→ −x gegeben. D<strong>an</strong>n gilt f ◦ g : x ↦→ x 2 , £ aber<br />
g ◦ f : x ↦→ −x 2 .<br />
• Bei <strong>der</strong> Addition von 2×2–Matrizen darf m<strong>an</strong> die Terme genauso vertauschen. Das<br />
folgt trivialerweise aus <strong>der</strong> Tatsache, <strong>das</strong>s die Addition komponentenweise def<strong>in</strong>ert<br />
ist.<br />
• Die Multiplikation <strong>in</strong> M 2 ) ist da schon (£<br />
problematischer. Es gilt etwa<br />
( ) ( )<br />
1 2<br />
1 1<br />
A := , B :=<br />
AB =<br />
0 3<br />
)<br />
, BA =<br />
(<br />
−1 5<br />
−3 6<br />
−1 2<br />
(<br />
1 5<br />
−1 4<br />
Das Ergebnis <strong>der</strong> Multiplikation reeller 2 × 2–Matrizen hängt also von <strong>der</strong> Reihenfolge<br />
<strong>der</strong> beiden Faktoren ab.<br />
• Das Ergebnis <strong>der</strong> Verknüpfung von Strichblöcken S ist wie<strong>der</strong> unabhängig von <strong>der</strong><br />
Reihenfolgen <strong>der</strong> Oper<strong>an</strong>den.<br />
• Bei Worten macht es dagegen e<strong>in</strong>en Unterschied. ”<br />
Dampfschiff“ hat e<strong>in</strong>e gänzlich<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>e Bedeutung als ”<br />
Schiffsdampf“.<br />
Wir sehen also, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong>chmal die Oper<strong>an</strong>den e<strong>in</strong>er Verknüpfung vertauscht werden<br />
dürfen ohne <strong>das</strong> Ergebnis zu än<strong>der</strong>n, m<strong>an</strong>chmal aber auch nicht. Jetzt fehlt nur noch <strong>der</strong><br />
Name <strong>für</strong> die Eigenschaft:<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.11. E<strong>in</strong>e Verknüpfung <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Gruppoid (G, ◦) heißt kommutativ,<br />
falls <strong>das</strong> Kommutativgesetz erfüllt ist:<br />
∀g, h ∈ G : g ◦ h = h ◦ g.<br />
Und weiter führt uns unsere Entdeckungsreise durch die verschiedenen Verknüpfungseigenschaften.<br />
Die Frage ist, ob m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>mal erfolgte Verknüpfungen wie<strong>der</strong> rückgängig machen<br />
k<strong>an</strong>n. Bei den Tr<strong>an</strong>slationen T k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> etwa nach je<strong>der</strong> Verschiebung die Tr<strong>an</strong>slation gleicher<br />
Länge aber entgegen gesetzter Wirkung ausführen und damit <strong>das</strong> Objekt wie<strong>der</strong> <strong>an</strong><br />
se<strong>in</strong>en ursprünglichen Platz zurückschieben. Tr<strong>an</strong>slationen k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> also wie<strong>der</strong> ungeschehen<br />
machen. Wie <strong>das</strong> bei den <strong>an</strong><strong>der</strong>en Verknüpfungen aussieht, wollen wir uns nach <strong>der</strong><br />
folgenden Def<strong>in</strong>itionen <strong>an</strong>sehen.<br />
)
4.2. GRUPPEN 69<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.12. Sei e<strong>in</strong> Gruppoid (G, ◦, e) mit E<strong>in</strong>selement gegeben. Ist a ∈ G, so<br />
nennen wir a ′ ∈ G e<strong>in</strong> zu a l<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verses Element, falls<br />
a ′ ◦ a = e<br />
gilt. Es heißt zu a rechts<strong>in</strong>vers, wenn die umgekehrte Beziehung<br />
a ◦ a ′ = e<br />
erfüllt ist.<br />
Ist a ′ sowohl l<strong>in</strong>ks- als auch rechts<strong>in</strong>vers, so sagen wir a ′ ist e<strong>in</strong> <strong>in</strong>verses Element von<br />
a (o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Inverses zu a) und schreiben meist a −1 . Ist <strong>das</strong> Verknüpfungszeichen e<strong>in</strong> +,<br />
schreiben wir die Operation also additiv, d<strong>an</strong>n bezeichnen wir <strong>das</strong> Inverse von a üblicherweise<br />
mit −a.<br />
Beispiel 4.2.13.<br />
• Bis zu diesem Zeitpunkt s<strong>in</strong>d die Zahlenmengen brav neben e<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> marschiert<br />
und haben jeweils die gleichen Eigenschaften gehabt. Doch nun trennt sich die Verknüpfungsspreu<br />
vom Weizen.<br />
In ( , +, 0) gibt es außer <strong>für</strong> 0 zu ke<strong>in</strong>em Element e<strong>in</strong> Inverses.<br />
(¡ In , +, 0) (£ und , +, 0), <strong>an</strong><strong>der</strong>erseits, hat jedes Element n ¡ ∈ bzw. n £ ∈ e<strong>in</strong><br />
<strong>in</strong>verses Element, nämlich −n.<br />
In ( , ·, 1) (¡ und , ·, 1) besitzt außer 1 ke<strong>in</strong> Element e<strong>in</strong> Inverses. (£ In , ·, 1) hat<br />
jedes Element außer 0 e<strong>in</strong> Inverses.<br />
• Wir haben schon gesehen, <strong>das</strong>s die Tr<strong>an</strong>slationen aus T Inverse besitzen, e<strong>in</strong>fach<br />
die Verschiebung um dieselbe Länge <strong>in</strong> die Gegenrichtung.<br />
• Auch alle Drehungen <strong>in</strong> D haben Inverse, die Drehungen um dieselbe Achse um den<br />
negativen W<strong>in</strong>kel.<br />
• In <strong>der</strong> Menge <strong>der</strong> Abbildungen Abb(M) haben nur die bijektiven Abbildungen Inverse.<br />
Alle <strong>an</strong><strong>der</strong>en können nicht rückgängig gemacht werden.<br />
• In (M 2 ), +) hat jede Matrix A e<strong>in</strong> Inverses, nämlich diejenige Matrix −A, bei <strong>der</strong><br />
(£<br />
m<strong>an</strong> bei jedem Element von A <strong>das</strong> Vorzeichen gewechselt hat.<br />
• Für (M 2 ), ·) k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> beweisen, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Matrix A genau d<strong>an</strong>n e<strong>in</strong> Inverses<br />
(£<br />
hat, wenn a 11 a 22 − a 12 a 21 ≠ 0 gilt.<br />
• In (F P 2 , ⊕) besitzt nur <strong>das</strong> neutrale Element 0 e<strong>in</strong> Inverses. In allen <strong>an</strong><strong>der</strong>en Fällen<br />
zerstört meist <strong>das</strong> Runden die Möglichkeit die Addition rückgängig zu machen.<br />
Wie<strong>der</strong> stehen wir vor <strong>der</strong> Frage, ob <strong>das</strong> Inverse zu e<strong>in</strong>em Element, falls es überhaupt<br />
existiert, e<strong>in</strong>deutig bestimmt ist o<strong>der</strong> ob mehr als e<strong>in</strong> (L<strong>in</strong>ks-, Rechts-) Inverses existieren<br />
k<strong>an</strong>n. Wie<strong>der</strong> be<strong>an</strong>twortet uns die Untersuchung <strong>der</strong> Struktureigenschaften die Frage <strong>für</strong> alle<br />
Beispiele auf e<strong>in</strong>mal.<br />
Proposition 4.2.14. Sei (G, ◦, e) e<strong>in</strong> Monoid und g ∈ G. Ist g −1<br />
L<br />
e<strong>in</strong> Rechts<strong>in</strong>verses, so ist g−1<br />
g und g −1<br />
R<br />
e<strong>in</strong>deutig bestimmt.<br />
Beweis. Wir haben g −1<br />
L<br />
= g−1 L<br />
L<br />
= g−1 R<br />
e = g−1 L<br />
(gg−1<br />
e<strong>in</strong> L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verses von<br />
. Speziell s<strong>in</strong>d <strong>in</strong>verse Elemente <strong>in</strong> Monoiden<br />
= eg−1 R<br />
= g−1 R<br />
. Daher s<strong>in</strong>d sie<br />
R ) = (g−1 L<br />
g)g−1 R<br />
gleich. Die E<strong>in</strong>deutigkeit von Inversen folgt aus <strong>der</strong> Tatsache, <strong>das</strong>s jedes Inverse L<strong>in</strong>ks- und<br />
Rechts<strong>in</strong>verses ist.<br />
□<br />
Jetzt haben wir alle Eigenschaften zusammen gesammelt und ben<strong>an</strong>nt und können endlich<br />
die Struktur def<strong>in</strong>ieren, auf die wir schon die g<strong>an</strong>ze Zeit h<strong>in</strong>arbeiten.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.15. E<strong>in</strong> Monoid (G, ◦, e) heißt Gruppe, falls zu jedem Element von G<br />
e<strong>in</strong> Inverses existiert:<br />
∀g ∈ G : ∃g −1 ∈ G : g ◦ g −1 = g −1 ◦ g = e.
70 4. ALGEBRA<br />
Schreiben wir die Gruppenoperation mit +, so bezeichnen wir <strong>das</strong> Inverse von g mit −g.<br />
Ist zusätzlich ◦ kommutativ, so spricht m<strong>an</strong> von e<strong>in</strong>er kommutativen Gruppe o<strong>der</strong><br />
abelschen Gruppe (nach Nils Henrik Abel).<br />
Gruppen werden <strong>in</strong> weiten Teilen <strong>der</strong> Mathematik benötigt. Sie beschreiben nicht nur<br />
Bewegungen son<strong>der</strong>n auch Symmetrien. Sie spielen ihre Rolle bei <strong>der</strong> Untersuchung von Differentialgleichungen<br />
genauso wie bei <strong>der</strong> Lösung von Optimierungsaufgaben o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Lösung<br />
komb<strong>in</strong>atorischer Probleme. Zweifellos gehören Gruppen zu den zentralen Begriffen <strong>der</strong> Mathematik.<br />
Auch im nächsten Abschnitt und <strong>in</strong> <strong>der</strong> l<strong>in</strong>earen Algebra werden Gruppen gebraucht<br />
werden. Es ist also unerlässlich, diesen Begriff sorgfältig mit Fleisch (also mit Beispielen) zu<br />
füllen.<br />
Beispiel 4.2.16.<br />
(¡ (£<br />
(£<br />
• Die g<strong>an</strong>zen Zahlen , +, 0) und die reellen Zahlen , +) bilden e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe.<br />
• Die Tr<strong>an</strong>slationen T bilden ebenfalls e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe.<br />
• Die Drehungen bilden e<strong>in</strong>e Gruppe, die nicht kommutativ ist.<br />
• Auch (M 2 ), +) ist e<strong>in</strong>e kommutative Gruppe.<br />
• Die e<strong>in</strong>elementige Menge M = {e} ist e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe mit <strong>der</strong> e<strong>in</strong>zig möglichen<br />
Verknüpfung e ◦ e = e, sie heißt Permutationsgruppe von e<strong>in</strong>em Element S 1 o<strong>der</strong><br />
triviale Gruppe.<br />
Es existiert nur e<strong>in</strong>e zweielementige Gruppe (¡ 2 = {0, 1}, +) mit 0 + 0 = 0, 1 + 0 =<br />
0 + 1 = 1 und 1 + 1 = 0.<br />
Bemerkung 4.2.17. Ist die Menge M endlich, so k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> jede Verknüpfung direkt<br />
<strong>an</strong>geben, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> den Wert jedes Elements von M × M <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Tabelle, <strong>der</strong> Verknüpfungstabelle<br />
auch Cayley–Tafel, <strong>an</strong>schreibt.<br />
¡ Für 2 würde <strong>das</strong> die Tabelle<br />
+ 0 1<br />
0 0 1<br />
1 1 0<br />
ergeben. Sie drückt aus, was wir über <strong>das</strong> Addieren gera<strong>der</strong> und ungera<strong>der</strong> Zahlen wissen (0<br />
ist die Äquivalenzklasse <strong>der</strong> geraden Zahlen und 1 diejenige <strong>der</strong> ungeraden Zahlen). Gerade<br />
plus gerade ist gerade, ungerade plus ungerade ist gerade, gerade plus ungerade ist ungerade.<br />
Beispiel 4.2.18. Betrachten wir e<strong>in</strong> ebenes gleichseitiges Dreieck und alle Abbildungen,<br />
die <strong>das</strong> Dreieck auf sich selbst abbilden (solche Abbildungen nennt m<strong>an</strong> Deckabbildungen).<br />
Es gibt sechs verschiedene solche Abbildungen:<br />
(1) Die Identität I,<br />
(2) Drehung um 2 3 π (120◦ ) D 1 ,<br />
(3) Drehung um 4 3 π (240◦ ) D 2 ,<br />
(4) Spiegelung S a <strong>an</strong> <strong>der</strong> Höhe auf a,<br />
(5) Spiegelung S b <strong>an</strong> <strong>der</strong> Höhe auf b,<br />
(6) Spiegelung S c <strong>an</strong> <strong>der</strong> Höhe auf c.<br />
Die Menge dieser Abbildungen bildet e<strong>in</strong>e Gruppe bezüglich Verknüpfung von Abbildungen.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n die Wirkung <strong>der</strong> Abbildung am e<strong>in</strong>fachsten ver<strong>an</strong>schaulichen, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> beobachtet,<br />
woh<strong>in</strong> die Eckpunkte abgebildet werden. Die Abbildung D 1 etwa bildet die Ecken ABC auf<br />
die Ecken BCA (<strong>in</strong> <strong>der</strong> Reihenfolge) ab. Die Spiegelung S a bildet ABC auf ACB ab. M<strong>an</strong><br />
sieht also, <strong>das</strong>s die Deckabbildungen des gleichseitigen Dreiecks genau die Permutationen <strong>der</strong>
4.2. GRUPPEN 71<br />
Eckpunkte s<strong>in</strong>d. Die dabei entstehende Gruppe heißt S 3 , und ihre Verknüpfungstabelle ist<br />
◦ I S a S b S c D 1 D 2<br />
I I S a S b S c D 1 D 2<br />
S a S a I D 2 D 1 S c S b<br />
S b S b D 1 I D 2 S a S c<br />
S c S c D 2 D 1 I S b S a<br />
D 1 D 1 S b S c S a D 2 I<br />
D 2 D 2 S c S a S b I D 1<br />
Diese Gruppe ist die Permutationsgruppe von drei Elementen o<strong>der</strong> auch Die<strong>der</strong>gruppe D 3<br />
<strong>der</strong> Ordnung 3, e<strong>in</strong>e nicht abelsche Gruppe. Sie ist sogar die kle<strong>in</strong>ste nicht abelsche Gruppe.<br />
Beispiel 4.2.19. Die Kle<strong>in</strong>sche Vierergruppe (V 4 ), auch Die<strong>der</strong>gruppe D 2 <strong>der</strong> Ordnung<br />
2 gen<strong>an</strong>nt ist def<strong>in</strong>iert durch die Verknüpfungstabelle<br />
Sie ist die kle<strong>in</strong>ste nicht-zyklische Gruppe.<br />
◦ e a b c<br />
e e a b c<br />
a a e c b<br />
b b c e a<br />
c c b a e<br />
Wir können die Eigenschaften e<strong>in</strong>er Gruppe noch e<strong>in</strong>mal zusammenfassen, da sie so weit<br />
über den Abschnitt verstreut s<strong>in</strong>d. Dabei wollen wir auch beweisen, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> nur e<strong>in</strong>en Teil<br />
<strong>der</strong> Eigenschaften tatsächlich überprüfen muss.<br />
Proposition 4.2.20. Sei (G, ◦) e<strong>in</strong> Gruppoid. S<strong>in</strong>d folgende Eigenschaften erfüllt, d<strong>an</strong>n<br />
ist G e<strong>in</strong>e Gruppe.<br />
G1: Assoziativgesetz: ∀g, h, k ∈ G : (g ◦ h) ◦ k = g ◦ (h ◦ k).<br />
G2: L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement: ∃e ∈ G : ∀g ∈ G : e ◦ g = g.<br />
G3: L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verse: ∀g ∈ G : ∃g −1 ∈ G : g −1 ◦ g = e.<br />
G1 bis G3 nennt m<strong>an</strong> auch oft die Gruppenaxiome.<br />
Ist auch noch <strong>das</strong> Kommutativgesetz: ∀g, h ∈ G : g ◦ h = h ◦ g wahr, d<strong>an</strong>n ist G e<strong>in</strong>e<br />
abelsche Gruppe.<br />
Beweis. Wir haben nicht alles vorausgesetzt, was wir vorher von e<strong>in</strong>er Gruppe verl<strong>an</strong>gt<br />
hatten. Eigenschaft G1, <strong>das</strong> Assoziativgesetz macht (G, ◦) zu e<strong>in</strong>er Halbgruppe, doch wir haben<br />
nur L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement und L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verse vorausgesetzt. Wir müssen also zeigen, <strong>das</strong>s <strong>das</strong><br />
L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement auch Rechtse<strong>in</strong>selement ist und <strong>das</strong>s alle L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>versen auch Rechts<strong>in</strong>verse<br />
s<strong>in</strong>d.<br />
Schritt 1:<br />
Wir beg<strong>in</strong>nen mit e<strong>in</strong>er Teilbehauptung. Ist g ∈ G idempotent, so gilt schon g = e. Wir<br />
haben nämlich<br />
gg = g<br />
g −1 (gg) = g −1 g<br />
(g −1 g)g = g −1 g<br />
eg = e<br />
g = e<br />
Das beweist unsere Teilbehauptung.<br />
<strong>das</strong> L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verse g −1 existiert immer<br />
Assoziativität<br />
weil g −1 L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verses ist<br />
weil e L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement ist
72 4. ALGEBRA<br />
Schritt 2:<br />
Jetzt beweisen wir, <strong>das</strong>s <strong>das</strong> L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verse g −1 auch gg −1 = e erfüllt, also Rechts<strong>in</strong>verses ist.<br />
gg −1 = g(eg −1 ) =<br />
= g((g −1 g)g −1 ) =<br />
= (gg −1 )(gg −1 )<br />
weil e L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement ist<br />
weil g −1 L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verses ist<br />
wegen Assoziativität.<br />
Aus obiger Beziehung folgt, <strong>das</strong>s gg −1 idempotent ist. Wir haben aber <strong>in</strong> Schritt 1 bewiesen,<br />
<strong>das</strong>s d<strong>an</strong>n schon gg −1 = e gilt.<br />
Schritt 3:<br />
Es bleibt noch zu zeigen, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> alle g ∈ G auch ge = g gilt, e also Rechtse<strong>in</strong>selement ist.<br />
ge = g(g −1 g) =<br />
= (gg −1 )g =<br />
= eg =<br />
= g<br />
weil g −1 L<strong>in</strong>ks<strong>in</strong>verses ist<br />
Assoziativität<br />
<strong>das</strong> haben wir <strong>in</strong> Schritt 2 gezeigt<br />
e ist L<strong>in</strong>kse<strong>in</strong>selement<br />
Wir haben also gezeigt, <strong>das</strong>s e E<strong>in</strong>selement ist. Darum ist (G, ◦, e) e<strong>in</strong> Monoid, und jedes<br />
Element besitzt e<strong>in</strong> Inverses wegen Schritt 2. Daher ist G e<strong>in</strong>e Gruppe.<br />
Die Aussage über die abelsche Gruppe ist trivial.<br />
□<br />
Das Gesetz <strong>der</strong> doppelten Inversion gilt auch <strong>in</strong> Gruppen:<br />
Proposition 4.2.21. Ist (G, ◦) e<strong>in</strong>e Gruppe, so haben wir <strong>für</strong> jedes g ∈ G<br />
(g −1 ) −1 = g.<br />
Beweis. Das Element (g −1 ) −1 ist <strong>das</strong> Inverse von g −1 . Wir wissen aber, <strong>das</strong>s gg −1 = e<br />
gilt. Daher ist auch g <strong>das</strong> Inverse von g −1 . Wegen <strong>der</strong> E<strong>in</strong>deutigkeit <strong>der</strong> Inversen (Proposition<br />
4.2.14) folgt g = (g −1 ) −1 .<br />
□<br />
Etwas aufpassen muss m<strong>an</strong>, wenn m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Verhältnis von Gruppenoperation und Inversion<br />
untersucht.<br />
Proposition 4.2.22. Ist (G, ◦) e<strong>in</strong>e Gruppe, so gelten die Rechenregeln<br />
(1) ∀g, h ∈ G : (g ◦ h) −1 = h −1 ◦ g −1 (die Verknüpfung dreht sich um!),<br />
(2) ∀g, h, k ∈ G : ((k ◦ g) = (k ◦ h) ⇒ g = h (es gilt die Kürzungsregel).<br />
Beweis. (1) Es gilt (g ◦ h) ◦ (h −1 ◦ g −1 ) = g ◦ (h ◦ h −1 ) ◦ g −1 = g ◦ g −1 = e. Der Rest<br />
folgt aus <strong>der</strong> E<strong>in</strong>deutigkeit <strong>der</strong> Inversen.<br />
(2) Wir haben<br />
k ◦ g = k ◦ h<br />
k −1 ◦ (k ◦ g) = k −1 ◦ (k ◦ h)<br />
(k −1 ◦ k) ◦ g = (k −1 ◦ k) ◦ h<br />
e ◦ g = e ◦ h<br />
g = h.<br />
So ähnlich wie Teilmengen k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch Teile von Gruppen betrachten (Teilstrukturen).<br />
M<strong>an</strong> bezeichnet Teilstrukturen (die gleiche Struktur auf e<strong>in</strong>er Teilmenge) meist mit Unter.<br />
. . o<strong>der</strong> mit Teil. . .<br />
□
4.2. GRUPPEN 73<br />
In <strong>der</strong> Algebra kommen etwa Untergruppen, Unterr<strong>in</strong>ge und Unterkörper vor. In <strong>der</strong><br />
l<strong>in</strong>earen Algebra spricht m<strong>an</strong> von Teilräumen, Teilalgebren,. . .<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.23. Sei (G, ◦, e) e<strong>in</strong>e Gruppe. E<strong>in</strong>e Teilmenge H ⊆ G heißt Untergruppe,<br />
falls (H, ◦, e) e<strong>in</strong>e Gruppe ist.<br />
Das ist die typische Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>er Teilstruktur. Es ist e<strong>in</strong>e Teilmenge, die mit den<br />
ererbten (<strong>in</strong>duzierten) Operationen dieselbe Struktur aufweist wie ihre Obermenge.<br />
Meist beweist m<strong>an</strong> d<strong>an</strong>n, welche Eigenschaften nachzurechnen s<strong>in</strong>d, um sicher zu stellen,<br />
<strong>das</strong>s m<strong>an</strong> tatsächlich e<strong>in</strong>e Teilstruktur gefunden hat. Basiert die Strukturdef<strong>in</strong>ition auf e<strong>in</strong>er<br />
Verknüpfung ◦, so muss m<strong>an</strong> stets überprüfen, <strong>das</strong>s die Verknüpfung auf <strong>der</strong> Teilmenge<br />
H ⊆ G abgeschlossen ist, <strong>das</strong>s also<br />
∀g, h ∈ H : g ◦ h ∈ H<br />
gilt. Die Verknüpfung <strong>in</strong> G darf also nicht aus H herausführen.<br />
Proposition 4.2.24. E<strong>in</strong>e Teilmenge H ⊆ G e<strong>in</strong>er Gruppe G ist e<strong>in</strong>e Untergruppe,<br />
wenn <strong>für</strong> alle g, h ∈ H auch g ◦ h −1 ∈ H ist. Äquivalent dazu ist, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> alle g, h ∈ H die<br />
Verknüpfung g ◦ h ∈ H und zusätzlich zu jedem Element h ∈ H auch <strong>das</strong> Inverse h −1 ∈ H<br />
liegt.<br />
Ist G abelsch, d<strong>an</strong>n auch H.<br />
Beweis. Zuerst beweisen wir die Äquivalenz <strong>der</strong> Eigenschaften.<br />
⇒: Ist <strong>für</strong> je zwei Elemente g, h ∈ H auch g◦h −1 ∈ H, so sehen wir sofort, <strong>das</strong>s e = g◦g −1 ∈ H<br />
liegt. Damit ist aber auch zu jedem g ∈ H <strong>das</strong> Element e ◦ g −1 = g −1 ∈ H. Ferner muss<br />
d<strong>an</strong>n aber <strong>für</strong> g, h −1 ∈ H <strong>das</strong> Element g ◦ (h −1 ) −1 = g ◦ h ∈ H liegen.<br />
⇐: Seien g, h ∈ H. D<strong>an</strong>n erhalten wir h −1 ∈ H, und daher ist auch g ◦ h −1 ∈ H.<br />
Das beweist die behauptete Äquivalenz. Nun bleibt zu zeigen, <strong>das</strong>s diese Eigenschaften<br />
genügen, um zu überprüfen, <strong>das</strong>s H e<strong>in</strong>e Gruppe ist.<br />
Der erste Schritt dabei ist zu zeigen, <strong>das</strong>s (H, ◦) e<strong>in</strong> Gruppoid bildet, <strong>das</strong>s also ◦ tatsächlich<br />
e<strong>in</strong>e Verknüpfung auf H ist. Das ist aber tatsächlich <strong>der</strong> Fall, weil wir schon wissen, <strong>das</strong>s <strong>für</strong><br />
je zwei Elemente g, h ∈ H auch g ◦ h ∈ H liegt. Damit ist aber H bereits e<strong>in</strong>e Halbgruppe,<br />
denn <strong>das</strong> Assoziativgesetz gilt, weil es sogar <strong>für</strong> alle Elemente <strong>in</strong> G erfüllt ist.<br />
Das E<strong>in</strong>selement e von G liegt ebenfalls <strong>in</strong> H, da <strong>für</strong> jedes Element g ∈ H auch e =<br />
g◦g −1 ∈ H se<strong>in</strong> muss. Schließlich besitzt jedes Element g ∈ H auch e<strong>in</strong> Inverses <strong>in</strong> H, nämlich<br />
g −1 , von dem wir bereits wissen, <strong>das</strong>s es <strong>in</strong> H liegt. Das beweist alle Gruppeneigenschaften<br />
<strong>für</strong> (H, ◦, e), und daher ist H e<strong>in</strong>e Untergruppe von G.<br />
Wenn G abelsch ist, d<strong>an</strong>n erfüllen alle Elemente <strong>in</strong> G <strong>das</strong> Kommutativgesetz, also erst<br />
recht alle <strong>in</strong> H.<br />
□<br />
Beispiel 4.2.25.<br />
• Jede Gruppe G besitzt die beiden trivialen Untergruppen {e} und G.<br />
• Die Gruppe (¡ , +) ist e<strong>in</strong>e Untergruppe von (£ , +).<br />
• Die Gruppe (¡ , +) besitzt etwa die Untergruppe ¡ g aller geraden g<strong>an</strong>zen Zahlen.<br />
E<strong>in</strong> wichtiger Begriff <strong>der</strong> Algebra fehlt noch. Wir haben jetzt aus zuvor unbedarften Mengen<br />
neue <strong>mathematische</strong> Strukturen geschaffen, <strong>in</strong>dem wir auf ihnen e<strong>in</strong>e Verknüpfungsrelation<br />
e<strong>in</strong>geführt haben. D<strong>an</strong>n haben wir die Eigenschaften dieser Verknüpfungen untersucht<br />
und s<strong>in</strong>d so schließlich zur Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> Gruppe gekommen. Wo s<strong>in</strong>d aber die versprochenen<br />
Verb<strong>in</strong>dungen zwischen unseren Gruppenobjekten? Bei den Mengen hatten wir die<br />
Abbildungen. Was sollen wir bei den Gruppen verwenden.<br />
Die Lösung ist e<strong>in</strong>fach. Gruppen s<strong>in</strong>d Mengen, also können wir mit Abbildungen <strong>an</strong>f<strong>an</strong>gen.<br />
Um allerd<strong>in</strong>gs die Gruppenstruktur nicht g<strong>an</strong>z zu vergessen, müssen wir von den
74 4. ALGEBRA<br />
Abbildungen verl<strong>an</strong>gen, <strong>das</strong>s sie die Gruppenstruktur nicht zerstören. Das führt zur folgenden<br />
Def<strong>in</strong>ition:<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.2.26. Seien (G, ◦) und (H, ) Gruppoide. E<strong>in</strong> Gruppoidhomomorphismus<br />
von G nach H ist e<strong>in</strong>e Abbildung f : G → H mit<br />
∀g 1 , g 2 ∈ G : f(g 1 ◦ g 2 ) = f(g 1 )f(g 2 )<br />
S<strong>in</strong>d G und H Halbgruppen, so heißt f auch Halbgruppenhomomorphismus. Für<br />
zwei Gruppen G und H müssen wir sorgfältig darauf achten, <strong>das</strong>s wir die gesamte Gruppenstruktur<br />
beachten, und dazu gehören auch die Inversen. E<strong>in</strong>e Abbildung f : G → H heißt<br />
Gruppenhomomorphismus von G nach H, wenn<br />
(1) ∀g 1 , g 2 ∈ G gilt f(g 1 ◦ g 2 ) = f(g 1 )f(g 2 ).<br />
(2) ∀g ∈ G gilt f(g −1 ) = f(g) −1 .<br />
Ist die Abbildung bijektiv, d<strong>an</strong>n heißt sie Gruppoid- bzw. Halbgruppen- bzw. Gruppenisomorphismus.<br />
M<strong>an</strong> nennt <strong>in</strong> diesem Fall die beiden Gruppoide bzw. Halbgruppen bzw.<br />
Gruppen isomorph.<br />
E<strong>in</strong> Gruppenisomorphismus (wie je<strong>der</strong> <strong>an</strong><strong>der</strong>e Isomorphismus <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik auch)<br />
ist im wesentlichen nichts <strong>an</strong><strong>der</strong>es als e<strong>in</strong>e Umbenennung <strong>der</strong> Gruppenelemente. Dass solche<br />
Umbenennungen mitunter sehr praktisch se<strong>in</strong> können, muss nicht extra erwähnt werden.<br />
Zwei isomorphe Strukturen s<strong>in</strong>d vom St<strong>an</strong>dpunkt <strong>der</strong> Strukturtheorie aus ununterscheidbar.<br />
Oftmals k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> sich bei <strong>der</strong> Untersuchung <strong>der</strong> Eigenschaften e<strong>in</strong>es bestimmten Objektes<br />
damit wesentlich weiter helfen, e<strong>in</strong>en Isomorphismus zu e<strong>in</strong>em bereits bek<strong>an</strong>nten Objekt zu<br />
konstruieren.<br />
Beispiel 4.2.27.<br />
• Die Abbildung, die jedem z ¡ ∈ die reelle Zahl z £ ∈ zuordnet, ist e<strong>in</strong> Gruppenhomomorphismus<br />
(¡ von , +) (£ <strong>in</strong> , +).<br />
• Die Abbildung f von S nach , die jedem Strichblock die Anzahl <strong>der</strong> enthaltenen<br />
Striche zuordnet, ist e<strong>in</strong> Halbgruppenhomomorphismus von S nach . Haben wir<br />
zu S den leeren Strichblock h<strong>in</strong>zugefügt, d<strong>an</strong>n ist f : S → bijektiv, also e<strong>in</strong><br />
Halbgruppenisomorphismus. Die Menge <strong>der</strong> Strichblöcke ist also von den natürlichen<br />
Zahlen nicht unterscheidbar vom St<strong>an</strong>dpunkt <strong>der</strong> Halbgruppentheorie aus. Die Menge<br />
S ist e<strong>in</strong>e Möglichkeit, zu konstruieren. E<strong>in</strong>e <strong>an</strong><strong>der</strong>e Vari<strong>an</strong>te, <strong>in</strong> <strong>der</strong> aus den<br />
Mengenaxiomen hergeleitet wird, f<strong>in</strong>det m<strong>an</strong> <strong>in</strong> Abschnitt 5.1.<br />
4.3. R<strong>in</strong>ge<br />
Bevor wir uns den ”<br />
Schmuckstücken“ <strong>der</strong> Mathematik nähern wollen, kehren wir zurück<br />
zu unseren Gruppoiden aus Beispiel 4.1.1.<br />
E<strong>in</strong>ige dort betrachtete Mengen haben als doppeltes Beispiel gedient. So etwa , ¡ und<br />
£ aber auch die 2 × 2–Matrizen M 2 (£ ). Für alle diese Mengen haben wir Summen und<br />
Produkte def<strong>in</strong>iert. Alle diese Mengen s<strong>in</strong>d also Gruppoide bezüglich zwei Verknüpfungen.<br />
Beispiel 4.3.1. Wichtig <strong>an</strong> all diesen Mengen und ihren Gruppoid–Strukturen ist die<br />
Eigenschaft, <strong>das</strong>s ”<br />
Ausmultiplizieren“ und ”<br />
Herausheben“ ( ”<br />
Ausklammern“) gültige Rechenregeln<br />
s<strong>in</strong>d. Wir alle wissen ja, <strong>das</strong>s etwa (3 + 4) · 5 = 3 · 5 + 4 · 5 gilt.<br />
Von nun <strong>an</strong> werden wir daher Mengen betrachten, auf denen zwei Verknüpfungen def<strong>in</strong>iert<br />
s<strong>in</strong>d. Wir schreiben die beiden Verknüpfungen + und ·, vere<strong>in</strong>baren, <strong>das</strong>s · stärker b<strong>in</strong>det<br />
als + ( ”<br />
Punktrechnung vor Strichrechung“), und lassen, wie schon <strong>an</strong>gekündigt, den Punkt<br />
weg wenn immer <strong>an</strong>gebracht.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.3.2. E<strong>in</strong>e Menge H, die e<strong>in</strong>e Halbgruppe (H, +) und e<strong>in</strong>e Halbgruppe (H, ·)<br />
bildet, heißt Halbr<strong>in</strong>g, falls die beiden Distributivgesetze von + bezüglich ·
DG1: a(b + c) = ab + ac<br />
DG2: (b + c)a = ba + ca<br />
4.3. RINGE 75<br />
erfüllt s<strong>in</strong>d. Wir fassen d<strong>an</strong>n beide Operationen zusammen und schreiben (H, +, ·).<br />
Ist (H, +) e<strong>in</strong>e kommutative Halbgruppe, so sprechen wir von e<strong>in</strong>em additiv kommutativen<br />
Halbr<strong>in</strong>g, ist (H, ·) kommutativ, so nennen wir die Struktur e<strong>in</strong>en multiplikativ<br />
kommutativen Halbr<strong>in</strong>g. S<strong>in</strong>d beide Verknüpfungen kommutativ, so liegt e<strong>in</strong> kommutativer<br />
Halbr<strong>in</strong>g vor.<br />
Beispiel 4.3.3. Die natürlichen Zahlen ( , +, ·) bilden e<strong>in</strong>en kommutativen Halbr<strong>in</strong>g.<br />
M<strong>an</strong>che nennen <strong>das</strong> sogar Dioid, da beide Halbgruppen ( , +) und ( , ·) sogar Monoide<br />
s<strong>in</strong>d.<br />
(¡ Auch , +, ·) (£ und , +, ·) besitzen e<strong>in</strong>e Halbr<strong>in</strong>gstruktur. Das ist schon bek<strong>an</strong>nt.<br />
Die <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Frage ist: Ist M 2 ) ebenfalls e<strong>in</strong> Halbr<strong>in</strong>g? Die Antwort ist ja, e<strong>in</strong><br />
(£<br />
additiv kommutativer Halbr<strong>in</strong>g. Das Nachrechnen des Distributivgesetzes ist allerd<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong><br />
bisschen mühsam.<br />
Das Nullelement <strong>der</strong> Operation + <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Halbr<strong>in</strong>g bezeichnen wir mit 0 und <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement<br />
von · mit 1, sofern sie existieren.<br />
Beispiel 4.3.4. E<strong>in</strong>ige Mengen erfüllen aber noch mehr. So ist zwar ( , +) ke<strong>in</strong>e Gruppe,<br />
sehr wohl s<strong>in</strong>d <strong>das</strong> aber (¡ , +) und (£ , +). Auch (M 2 (£ ), +) ist e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe.<br />
Dies führt uns unmittelbar zum nächsten Begiff.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.3.5. E<strong>in</strong> Halbr<strong>in</strong>g (R, +, ·) heißt R<strong>in</strong>g, falls zusätzlich gilt:<br />
R1: (R, +) ist e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe.<br />
Ist (R, ·) e<strong>in</strong> Monoid und gilt 0 ≠ 1, so sagen wir R sei e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g mit E<strong>in</strong>selement.<br />
Ist die Operation · kommutativ, so liegt e<strong>in</strong> kommutativer R<strong>in</strong>g vor.<br />
Hat m<strong>an</strong> beides, Kommutativität und E<strong>in</strong>selement, d<strong>an</strong>n nennt m<strong>an</strong> die entstehende<br />
Struktur g<strong>an</strong>z e<strong>in</strong>fach kommutativer R<strong>in</strong>g mit E<strong>in</strong>selement.<br />
(¡ (£ Beispiel 4.3.6. Die g<strong>an</strong>zen Zahlen , +, ·) und die reellen Zahlen , +, ·) s<strong>in</strong>d kommutative<br />
R<strong>in</strong>ge mit E<strong>in</strong>selement.<br />
Die reellen 2×2–Matrizen bilden e<strong>in</strong>en R<strong>in</strong>g mit E<strong>in</strong>selement, <strong>der</strong> aber nicht kommutativ<br />
ist.<br />
E<strong>in</strong>ige R<strong>in</strong>ge haben wir jetzt identifiziert <strong>in</strong> unserer täglichen <strong>mathematische</strong>n Umgebung.<br />
Nun spielen wir wie<strong>der</strong> die Stärken <strong>der</strong> Algebra aus und suchen nur <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d <strong>der</strong><br />
gefor<strong>der</strong>ten Eigenschaften nach neuen Gesetzen, die <strong>in</strong> allen R<strong>in</strong>gen gelten.<br />
Proposition 4.3.7. Ist (R, +, ·) e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g, so gelten die Rechenregeln<br />
(1) ∀r ∈ R : r0 = 0r = 0,<br />
(2) ∀r, s ∈ R : −(rs) = (−r)s = r(−s),<br />
(3) ∀r, s ∈ R : rs = (−r)(−s).<br />
(4) Besitzt R e<strong>in</strong> E<strong>in</strong>selement 1 ≠ 0, so gilt ∀r ∈ R : (−1)r = r(−1) = −r.<br />
Beweis.<br />
(1) Es gilt r0 = r(0 + 0) = r0 + r0 und damit r0 = 0.<br />
(2) Wir haben (−r)s + rs = ((−r) + r)s = 0s = 0 wegen (1). Aus <strong>der</strong> E<strong>in</strong>deutigkeit des<br />
Inversen folgt −(rs) = (−r)s. Analog f<strong>in</strong>den wir r(−s) + rs = r((−s) + s) = r0 = 0<br />
und damit −(rs) = r(−s).<br />
(3) Aus (2) folgt rs = −(−(rs)) = −((−r)s) = (−r)(−s) wegen Proposition 4.2.21.<br />
(4) Es gilt 0 = 0r = (1 + (−1))r = 1r + (−1)r = r + (−1)r und damit −r = (−1)r<br />
wegen <strong>der</strong> E<strong>in</strong>deutigkeit <strong>der</strong> Inversen. Die zweite Gleichung zeigt m<strong>an</strong> <strong>an</strong>alog.<br />
□
76 4. ALGEBRA<br />
Genau wie <strong>für</strong> Gruppen können wir auch <strong>für</strong> R<strong>in</strong>ge Teilstrukturen def<strong>in</strong>ieren.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.3.8. E<strong>in</strong>e Teilmenge S ⊆ R e<strong>in</strong>es R<strong>in</strong>ges (R, +, ·) heißt Teilr<strong>in</strong>g (Unterr<strong>in</strong>g)<br />
von R, falls (S, +, ·) mit den <strong>in</strong>duzierten Verknüpfungen e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g ist.<br />
M<strong>an</strong> muss zur Überprüfung <strong>der</strong> Tatsache, ob e<strong>in</strong>e Teilmenge e<strong>in</strong>es R<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong> Unterr<strong>in</strong>g ist,<br />
glücklicherweise nicht alle R<strong>in</strong>geigenschaften nachprüfen. Im wesentlichen genügt es nämlich<br />
zu zeigen, <strong>das</strong>s die Verknüpfungen aus <strong>der</strong> Teilmenge nicht h<strong>in</strong>ausführen.<br />
Proposition 4.3.9. E<strong>in</strong>e Teilmenge S e<strong>in</strong>es R<strong>in</strong>ges R ist e<strong>in</strong> Unterr<strong>in</strong>g genau d<strong>an</strong>n,<br />
wenn <strong>für</strong> alle r, s ∈ R die Elemente r − s und rs <strong>in</strong> S liegen.<br />
Ist R kommutativ, d<strong>an</strong>n auch S.<br />
Beweis. Weil <strong>für</strong> r, s ∈ S schon r − s ∈ S folgt, wissen wir aus Proposition 4.2.24, <strong>das</strong>s<br />
(S, +) e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ist (e<strong>in</strong>e Untergruppe von (R, +)). Die Verknüpfung · ist <strong>in</strong> H<br />
abgeschlossen, denn <strong>das</strong> haben wir vorausgesetzt. Weil aber <strong>das</strong> Assoziativgesetz und die<br />
Distributivgesetze <strong>für</strong> alle Elemente <strong>in</strong> R gelten, stimmen sie erst recht <strong>für</strong> alle Elemente<br />
von S. Daher ist S e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g.<br />
Die Aussage über Kommutativität ist offensichtlich.<br />
□<br />
Beispiel 4.3.10. Für zwei g<strong>an</strong>ze Zahlen p und q wissen wir folgende Eigenschaft: S<strong>in</strong>d<br />
p ≠ 0 und q ≠ 0, d<strong>an</strong>n ist auch pq ≠ 0. Auch die Menge <strong>der</strong> reellen Zahlen erfüllt <strong>das</strong>.<br />
In den 2 × 2–Matrizen können wir so schnell nicht schließen. Es gilt nämlich<br />
( ) ( ) ( )<br />
0 1 0 2 0 0<br />
· = .<br />
0 0 0 0 0 0<br />
In M 2 ) ist also <strong>das</strong> Produkt von Null verschiedener Elemente nicht notwendigerweise auch<br />
(£<br />
von Null verschieden.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.3.11. E<strong>in</strong> kommutativer R<strong>in</strong>g mit E<strong>in</strong>selement (R, +, ·, 0, 1) heißt Integritätsbereich,<br />
wenn <strong>für</strong> je zwei Elemente r, s ∈ R aus rs = 0 schon r = 0 o<strong>der</strong> s = 0<br />
folgt.<br />
An<strong>der</strong>s ausgedrückt, besitzt R ke<strong>in</strong>e so gen<strong>an</strong>nten Nullteiler. Nullteiler s<strong>in</strong>d Elemente<br />
r, s ≠ 0 mit rs = 0.<br />
Beispiel 4.3.12. Die g<strong>an</strong>zen (¡ Zahlen , +, ·, 0, 1) s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> Integritätsbereich, ebenso die<br />
reellen (£ Zahlen , +, ·, 0, 1).<br />
Die Matrizen M 2 ) s<strong>in</strong>d ke<strong>in</strong> Integritätsbereich, denn die Multiplikation ist nicht kommutativ,<br />
und M 2 ) ist nicht nullteilerfrei.<br />
(£<br />
(£<br />
Wie zu den Gruppen gehören auch zu den R<strong>in</strong>gen bestimmte Abbildungen, die sich mit<br />
<strong>der</strong> Struktur vertragen. Es ist immer <strong>das</strong> gleiche Pr<strong>in</strong>zip. E<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g ist e<strong>in</strong>e Gruppe mit<br />
noch etwas, also ist e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>ghomomorphismus e<strong>in</strong> Gruppenhomomorphismus mit noch e<strong>in</strong><br />
bisschen mehr.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.3.13. Seien (R, +, ·) und (S, ⊕, ⊗) zwei R<strong>in</strong>ge. E<strong>in</strong> R<strong>in</strong>ghomomorphismus<br />
ist e<strong>in</strong> Gruppenhomomorphismus f : (R, +) → (S, ⊕), <strong>für</strong> den zusätzlich noch<br />
∀r, r ′ ∈ R : f(rr ′ ) = f(r) ⊗ f(r ′ )<br />
gilt, <strong>der</strong> also außerdem noch e<strong>in</strong> Halbgruppenhomorphismus (R, ·) → (S, ⊗) ist.<br />
Ist f bijektiv, d<strong>an</strong>n heißt f R<strong>in</strong>gisomorphismus und m<strong>an</strong> sagt, R und S s<strong>in</strong>d isomorph.<br />
Beispiel 4.3.14. Die Abbildung £ ι : → M 2 ), die je<strong>der</strong> reellen Zahl r die (£<br />
( )<br />
Matrix<br />
r 0<br />
zuordnet, ist e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>ghomomorphismus von (£ , +, ·) nach (M<br />
0 r<br />
2 ), +, ·). Es gilt<br />
(£
nämlich<br />
ι(r 1 ) + ι(r 2 ) =<br />
4.4. KÖRPER 77<br />
( ) ( ) ( )<br />
r1 0 r2 0 r1 + r<br />
+ =<br />
2 0<br />
= ι(r<br />
0 r 1 0 r 2 0 r 1 + r 1 + r 2 ).<br />
2<br />
Für die Multiplikation zeigen wir <strong>das</strong>selbe völlig <strong>an</strong>alog.<br />
Dieser R<strong>in</strong>ghomomorphismus ist sogar <strong>in</strong>jektiv. Er bettet £ <strong>in</strong> die Menge <strong>der</strong> 2 × 2–<br />
Matrizen e<strong>in</strong>.<br />
4.4. Körper<br />
Jetzt s<strong>in</strong>d wir be<strong>in</strong>ahe am Ende unseres Weges <strong>an</strong>gel<strong>an</strong>gt. Die folgende speziellste Struktur<br />
<strong>der</strong> Algebra <strong>für</strong> Mengen mit zwei Verknüpfungen spielt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik e<strong>in</strong>e herausragende<br />
Rolle. Sie wird <strong>in</strong> Analysis und L<strong>in</strong>eare Algebra e<strong>in</strong> wesentlicher Begleiter se<strong>in</strong>, und<br />
daher ist es wichtig, sich die Eigenschaften möglicht gut e<strong>in</strong>zuprägen.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.4.1. E<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g mit E<strong>in</strong>selement (K, +, ·) heißt Körper, wenn zusätzlich<br />
K: (K \ {0}, ·) ist e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe<br />
erfüllt ist.<br />
Beispiel 4.4.2. Die rationalen (¢ Zahlen , +, ·, 0, 1) bilden ebenso e<strong>in</strong>en Körper wie die<br />
reellen o<strong>der</strong> komplexen Zahlen.<br />
Die schon aus Beispiel 3.3.33 bek<strong>an</strong>nten ¡<br />
Restklassen p bilden e<strong>in</strong>en kommutativen R<strong>in</strong>g<br />
mit E<strong>in</strong>selement mit den Verknüpfungen<br />
a + b = a + b<br />
a · b = ab.<br />
Ist p e<strong>in</strong>e Primzahl, so ¡ ist p sogar e<strong>in</strong> Körper.<br />
Zuerst seien die Eigenschaften <strong>für</strong> R<strong>in</strong>ge überprüft: Die Operation + ist wohldef<strong>in</strong>iert,<br />
weil <strong>für</strong> je zwei verschiedene Repräsent<strong>an</strong>ten a, a ′ ∈ a bzw. b, b ′ ∈ b gilt: a = a ′ + kp und<br />
b = b ′ + lp <strong>für</strong> geeignete k, l ¡ ∈ . D<strong>an</strong>n ist aber a + b = a ′ + b ′ + (k + l)p, und damit ist<br />
a + b = a ′ + b ′ .<br />
Der Ausdruck wohldef<strong>in</strong>iert bedeutet nicht, <strong>das</strong>s etwas schön“ def<strong>in</strong>iert ist. Diesen Ausdruck<br />
verwendet m<strong>an</strong>, wenn m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Beziehung, e<strong>in</strong>e Operation, e<strong>in</strong>e Abbildung <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e<br />
”<br />
Klasse von Objekten dadurch def<strong>in</strong>iert, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>en Repräsent<strong>an</strong>ten aus <strong>der</strong> Klasse<br />
wählt und <strong>für</strong> diesen die Beziehung, Operation, Abbildung erklärt. D<strong>an</strong>n muss m<strong>an</strong> nämlich<br />
überprüfen, ob diese Def<strong>in</strong>ition unabhängig von <strong>der</strong> Wahl des Repräsent<strong>an</strong>ten ist o<strong>der</strong> ob<br />
die Def<strong>in</strong>ition etwa auf verschiedenen Elementen <strong>der</strong> Äquivalenzklasse verschiedenes bedeutet,<br />
denn <strong>das</strong> wäre schlecht.<br />
E<strong>in</strong> Beispiel <strong>für</strong> e<strong>in</strong>e nicht wohldef<strong>in</strong>ierte Operation ¡ auf 3. Wir def<strong>in</strong>ieren √ a = √ a,<br />
wenn a e<strong>in</strong>e Quadratzahl ist. Wollen wir √ 1 berechnen, so f<strong>in</strong>den wir √ 1 = √ 1 = 1. Geleichzeitig<br />
gilt aber 1 = 4, und wir hätten √ 1 = √ 4 = √ 4 = 2, was zu e<strong>in</strong>em Wi<strong>der</strong>spruch<br />
führt. Die Operation √ wie oben e<strong>in</strong>geführt ist also nicht wohldef<strong>in</strong>iert.<br />
Ebenso gilt <strong>für</strong> ·: ab = (a ′ + kp)(b ′ + lp) = (a ′ b ′ + (a ′ l + kb ′ + klp)p), und daher ist<br />
ab = a ′ b ′ . Auch · ist also wohldef<strong>in</strong>iert.<br />
Weil <strong>für</strong> g<strong>an</strong>ze Zahlen (und <strong>das</strong> s<strong>in</strong>d die Repräsent<strong>an</strong>ten <strong>der</strong> Nebenklassen ja auch!)<br />
Assoziativgesetz, Kommutativgesetz und Distributivgesetz gelten, gelten diese Gesetze auch<br />
<strong>für</strong> + und · ¡ auf p. Das Nullelement ist 0, und <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement 1 erfüllt <strong>für</strong> p > 1 auch<br />
0 ≠ 1. Das additiv Inverse e<strong>in</strong>er Klasse a ist leicht gefunden. Es ist −a.<br />
Um zu überprüfen, ¡ <strong>das</strong>s p e<strong>in</strong> Körper ist, wenn p e<strong>in</strong>e Primzahl ist, müssen wir nur noch<br />
beweisen, <strong>das</strong>s jedes Element a ≠ 0 e<strong>in</strong> Inverses besitzt. Dazu müssen wir e<strong>in</strong>e Restklasse b<br />
f<strong>in</strong>den mit a · b = 1. E<strong>in</strong> Satz aus <strong>der</strong> elementaren Zahlentheorie besagt folgendes:
78 4. ALGEBRA<br />
S<strong>in</strong>d a, b ∈<br />
mit ggT(a, b) = 1, so gibt es g<strong>an</strong>ze Zahlen m, n mit<br />
1 = ma + nb.<br />
Für jede Restklasse a mit a ≠ 0 ist ggT(a, p) = 1, da p Primzahl ist. Somit folgt die Existenz<br />
zweier Zahlen b, n mit ba + np = 1. Daher ist b <strong>das</strong> Inverse zu a, ¡ und p ist tatsächlich e<strong>in</strong><br />
(endlicher) Körper.<br />
In <strong>der</strong> Zahlentheorie s<strong>in</strong>d die Operationen <strong>in</strong> ¡ den m sehr wichtig. Dort hat sich e<strong>in</strong>e<br />
eigene Schreibweise etabliert. Für a + b = c ¡ <strong>in</strong> m schreibt m<strong>an</strong><br />
a + b ∼ = c<br />
mod m<br />
und spricht: ”<br />
a plus b kongruent c modulo m“.<br />
Ebenso <strong>für</strong> <strong>das</strong> Produkt<br />
a · b ∼ = c mod m.<br />
Bemerkung 4.4.3. Nachdem Körper so wichtig s<strong>in</strong>d, fassen wir noch e<strong>in</strong>mal alle Eigenschaften<br />
zusammen, die die Verknüpfungen + und · auf e<strong>in</strong>er Menge K haben müssen,<br />
damit K e<strong>in</strong> Körper ist. Diese Eigenschaften nennt m<strong>an</strong> auch die Körperaxiome<br />
K1: ∀a, b, c ∈ K : (a + b) + c = a + (b + c) (Assoziativität von +),<br />
K2: ∀a, b ∈ K : a + b = b + a (Kommutativität von +),<br />
K3: ∃0 ∈ K : ∀a ∈ K : a + 0 = a (Nullelement),<br />
K4: ∀a ∈ K : ∃(−a) ∈ K : a + (−a) = 0 (Inverse bzgl. +),<br />
K5: ∀a, b, c ∈ K : (ab)c = a(bc) (Assoziativität von ·),<br />
K6: ∀a, b ∈ K : ab = ba (Kommutativität von ·),<br />
K7: ∃1 ∈ K : 1 ≠ 0 ∧ ∀a ∈ K \ {0} : a1 = a (E<strong>in</strong>selement),<br />
K8: ∀a ∈ K \ {0} : ∃a −1 ∈ K : aa −1 = 1 (Inverse bzgl. ·),<br />
K9: ∀a, b, c ∈ K : a(b + c) = ab + ac (Distributivität).<br />
Proposition 4.4.4. Ist (K, +, ·) e<strong>in</strong> Körper, so gelten die Rechenregeln<br />
(1) ∀a, b ∈ K : (ab) −1 = a −1 b −1 .<br />
(2) ∀a ∈ K : (−a) −1 = −a −1 ,<br />
Beweis.<br />
(1) Wir haben (ab)(a −1 b −1 ) = aa −1 bb −1 = 1 · 1 = 1. Der Rest folgt wie<strong>der</strong> aus <strong>der</strong><br />
E<strong>in</strong>deutigkeit <strong>der</strong> Inversen.<br />
(2) Es gilt −a = (−1)a wegen Proposition 4.3.7.(4). Offensichtlich ist (−1) −1 = −1,<br />
wegen 1 = 1 · 1 = (−1)(−1), was aus Proposition 4.3.7.(3) folgt. Wir erhalten unter<br />
Verwendung von (1) (−a) −1 = ((−1)a) −1 = (−1) −1 a −1 = (−1)a −1 = −a −1 .<br />
□<br />
Analog zu R<strong>in</strong>gen k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch wie<strong>der</strong> Unterkörper def<strong>in</strong>ieren:<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.4.5. E<strong>in</strong>e Teilmenge Q ⊆ K e<strong>in</strong>es Körpers (K, +, ·) heißt Unterkörper,<br />
wenn (Q, +, ·) selbst e<strong>in</strong> Körper ist.<br />
Beispiel 4.4.6. Die rationalen ¢ Zahlen s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> Unterkörper <strong>der</strong> reellen £ Zahlen .<br />
Diese s<strong>in</strong>d wie<strong>der</strong>um e<strong>in</strong> Unterkörper <strong>der</strong> komplexen ¤ Zahlen .<br />
Proposition 4.4.7. E<strong>in</strong>e Teilmenge Q e<strong>in</strong>es Körpers (K, +, ·) ist genau d<strong>an</strong>n e<strong>in</strong> Unterkörper,<br />
wenn <strong>für</strong> je zwei Elemente a, b ∈ Q sowohl a − b ∈ Q als auch, sofern b ≠ 0,<br />
ab −1 ∈ Q s<strong>in</strong>d.<br />
Alternativ k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> <strong>für</strong> drei Elemente a, b, c ∈ Q mit c ≠ 0 auch (a − b)c −1 ∈ Q<br />
überprüfen.<br />
Beweis. Dies folgt aus Proposition 4.2.24 <strong>für</strong> (K, +) und (K, ·). Ferner beachte m<strong>an</strong>,<br />
<strong>das</strong>s (a − 0)c −1 = ac −1 und (a − b)1 −1 = a − b gelten.<br />
□
K = {a + b √ 2 | a, b ∈ ¢ } ⊂ £<br />
4.4. KÖRPER 79<br />
Beispiel 4.4.8. Seien auf<br />
die folgenden Operationen def<strong>in</strong>iert:<br />
(a 1 + b 1<br />
√<br />
2) ⊕ (a2 + b 2<br />
√<br />
2) = (a1 + a 2 ) + (b 1 + b 2 ) √ 2<br />
(a 1 + b 1<br />
√<br />
2) ⊗ (a2 + b 2<br />
√<br />
2) = (a1 a 2 + 2b 1 b 2 ) + (a 2 b 1 + a 1 b 2 ) √ 2.<br />
Bei genauerer Betrachtung sehen wir, <strong>das</strong>s ⊕ und ⊗ genau die Operationen + und · von £<br />
auf K e<strong>in</strong>geschränkt s<strong>in</strong>d. Wir untersuchen also:<br />
und <strong>für</strong> (a 2 , b 2 ) ≠ (0, 0)<br />
(a 1 + b 1<br />
√<br />
2) − (a2 + b 2<br />
√<br />
2) = (a1 − a 2 ) + (b 1 − b 2 ) √ 2 ∈ K,<br />
(a 1 + b 1<br />
√<br />
2)(a2 + b 2<br />
√<br />
2) −1 = a 1 + b 1<br />
√<br />
2<br />
a 2 + b 2<br />
√<br />
2<br />
= (a 1 + b 1<br />
√<br />
2)(a2 − b 2<br />
√<br />
2)<br />
a 2 2 − 2b 2 2<br />
=<br />
= a 1a 2 − 2b 1 b 2<br />
a 2 2 − 2b 2 2<br />
+ a 2b 1 − a 1 b 2<br />
√<br />
2.<br />
a 2 2 − 2b 2 2<br />
Dieses Ergebnis liegt <strong>in</strong> K, sofern a 2 2 − 2b 2 2 ≠ 0 gilt. Dies ist aber wahr, da nicht beide a 2 und<br />
b 2 gleich Null se<strong>in</strong> dürfen. Darüber h<strong>in</strong>aus gilt noch, <strong>das</strong>s a 2 2 ≠ 2b 2 2 se<strong>in</strong> muss, weil a 2 und b 2<br />
rational s<strong>in</strong>d, √ 2 aber irrational ist. Daher s<strong>in</strong>d die Voraussetzungen von Proposition 4.4.7<br />
erfüllt, und K ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Tat e<strong>in</strong> Unterkörper von £ . Wir schreiben auch K = ¢ [ √ 2].<br />
Nach den Def<strong>in</strong>itionen <strong>der</strong> Struktur und den Beispielen müssen wir uns e<strong>in</strong> weiteres Mal<br />
um die Abbildungen kümmern. Das Pr<strong>in</strong>zip wir wie<strong>der</strong> <strong>das</strong>selbe se<strong>in</strong> wie schon zuvor. Je<strong>der</strong><br />
Körper ist e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>g mit zusätzlichen Eigenschaften, also ist e<strong>in</strong> Körperhomomorphismus —<br />
bitte raten! — genau, e<strong>in</strong> R<strong>in</strong>ghomomorphismus, <strong>der</strong> auch diese zusätzlichen Eigenschaften<br />
respektiert.<br />
Def<strong>in</strong>ition 4.4.9. Seien (K, +, ·) und (K ′ , ⊕, ⊗) zwei Körper. E<strong>in</strong> Körperhomomorphismus<br />
ist e<strong>in</strong> Gruppenhomomorphismus f : (K, +) → (K ′ , ⊕), <strong>der</strong> auch noch e<strong>in</strong> Gruppenhomomorphismus<br />
f : (K \ {0}, ·) → (K ′ \ {0}, ⊗) ist.<br />
Ist f bijektiv, so nennt m<strong>an</strong> die Abbildung Körperisomorphismus und sagt, die beiden<br />
Körper K und K ′ s<strong>in</strong>d isomorph.<br />
Beispiel 4.4.10. Def<strong>in</strong>ieren wir auf ¢ × ¢ die Verknüpfungen<br />
(a 1 , a 2 ) + (b 1 , b 2 ) := (a 1 + b 1 , a 2 + b 2 )<br />
(a 1 , a 2 ) · (b 1 , b 2 ) := (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 )<br />
d<strong>an</strong>n ist (¢ × ¢ , +, ·) e<strong>in</strong> Körper.<br />
Wir überprüfen <strong>das</strong>, <strong>in</strong>dem wir die Körperaxiome nachrechnen:<br />
K1: Seien a, b, c ∈ ¢ × ¢ . Wir f<strong>in</strong>den<br />
(a + b) + c = ( (a 1 , a 2 ) + (b 1 , b 2 ) ) + (c 1 , c 2 ) = (a 1 + b 1 , a 2 + b 2 ) + (c 1 , c 2 ) =<br />
= (a 1 + b 1 + c 1 , a 2 + b 2 + c 2 ) = (a 1 , a 2 ) + (b 1 + c 1 , b 2 + c 2 ) =<br />
= (a 1 , a 2 ) + ( (b 1 , b 2 ) + (c 1 , c 2 ) ) = a + (b + c).<br />
K2: Nehmen wir beliebige a, b ∈ ¢ × ¢ . Es gilt<br />
a + b = (a 1 , a 2 ) + (b 1 , b 2 ) = (a 1 + b 1 , a 2 + b 2 ) =<br />
K3: Für 0 := (0, 0) ∈ ¢ × ¢ gilt<br />
= (b 1 + a 1 , b 2 + a 2 ) = (b 1 , b 2 ) + (a 1 , a 2 ) = b + a.<br />
a + 0 = (a 1 , a 2 ) + (0, 0) = (a 1 + 0, a 2 + 0) = (a 1 , a 2 ) = a.
80 4. ALGEBRA<br />
K4: Sei a ∈ ¢ × ¢ gegeben. Wir def<strong>in</strong>ieren −a := (−a 1 , −a 2 ) ∈ ¢ × ¢ und berechnen<br />
a + (−a) = (a 1 , a 2 ) + (−a 1 , −a 2 ) = (a 1 + (−a 1 ), a 2 + (−a 2 )) = (0, 0) = 0.<br />
K5: Für alle a, b, c ∈ ¢ × ¢ folgt<br />
(ab)c = ( (a 1 , a 2 )(b 1 , b 2 ) ) (c 1 , c 2 ) = (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 )(c 1 , c 2 ) =<br />
= ( (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 )c 1 + 2(a 1 b 2 + a 2 b 1 )c 2 , (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 )c 2 + (a 1 b 2 + a 2 b 1 )c 1<br />
)<br />
=<br />
= ( a 1 b 1 c 1 + 2a 2 b 2 c 1 + 2a 1 b 2 c 2 + 2a 2 b 1 c 2 , a 1 b 1 c 2 + a 1 b 2 c 1 + a 2 b 1 c 1 + 2a 2 b 2 c 2<br />
)<br />
=<br />
= ( a 1 (b 1 c 1 + 2b 2 c 2 ) + 2a 2 (b 1 c 2 + b 2 c 1 ), a 1 (b 1 c 2 + b 2 c 1 ) + a 2 (b 1 c 1 + 2b 2 c 2 ) ) =<br />
= (a 1 , a 2 )(b 1 c 1 + 2b 2 c 2 , b 1 c 2 + b 2 c 1 ) =<br />
= (a 1 , a 2 ) ( (b 1 , b 2 )(c 1 , c 2 ) ) = a(bc).<br />
K6: Es seien wie<strong>der</strong> a, b ∈ ¢ × ¢ . Wir rechnen nach:<br />
ab = (a 1 , a 2 )(b 1 , b 2 ) = (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 ) =<br />
= (b 1 a 1 + 2b 2 a 2 , b 1 a 2 + b 2 a 1 ) = (b 1 , b 2 )(a 1 , a 2 ) = ba.<br />
K7: Wir def<strong>in</strong>ieren 1 := (1, 0) ∈ ¢ × ¢ . Klarerweise gilt 0 ≠ 1, und außerdem <strong>für</strong><br />
a ∈ ¢ × ¢<br />
a1 = (a 1 , a 2 )(1, 0) = (a 1 1 + 0, 0 + a 2 1) = (a 1 , a 2 ) = a.<br />
K8: Sei 0 ≠ a ∈ ¢ × ¢ gegeben. Wir def<strong>in</strong>ieren a −1 :=<br />
(<br />
a 1<br />
a 2 1 −2a2 2<br />
,<br />
)<br />
−a 2<br />
. Es gilt<br />
a 2 1 −2a2 2<br />
a −1 ist <strong>für</strong> alle a ≠ 0 def<strong>in</strong>iert. Zu diesem Zweck muss a 2 1 − 2a 2 2 ≠ 0 gelten. Das<br />
folgende Argument beweist <strong>das</strong>: Sei a 2 1 = 2a 2 2. D<strong>an</strong>n gilt auch, falls a 2 ≠ 0 stimmt<br />
(a 1 /a 2 ) 2 = 2. Die l<strong>in</strong>ke Seite dieser Gleichung ist <strong>das</strong> Quadrat e<strong>in</strong>er rationale Zahl.<br />
Das Quadrat e<strong>in</strong>er rationalen Zahl k<strong>an</strong>n aber niemals gleich 2 se<strong>in</strong>, da <strong>an</strong><strong>der</strong>nfalls<br />
√<br />
2 rational wäre. Folglich ist a2 = 0. D<strong>an</strong>n haben wir aber auch a 1 = 0 und damit<br />
a = 0, was wir ausgeschlossen haben.<br />
Es ist a −1 also <strong>für</strong> alle a ≠ 0 def<strong>in</strong>iert. Nun können wir rechnen<br />
aa −1 = (a 1 , a 2 )(a 1 /(a 2 1 − 2a 2 2), −a 2 /(a 2 1 − 2a 2 2)) =<br />
= ( (a 2 1 − 2a 2 2)/(a 2 1 − 2a 2 2), 0 ) = (1, 0) = 1.<br />
K9: Seien wie<strong>der</strong> a, b, c ∈ ¢ × ¢ . Auch <strong>das</strong> letzte Axiom ist e<strong>in</strong>e längliche Rechnung:<br />
ab + ac = (a 1 , a 2 )(b 1 , b 2 ) + (a 1 , a 2 )(c 1 , c 2 ) =<br />
= (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 ) + (a 1 c 1 + 2a 2 c 2 , a 1 c 2 + a 2 c 1 ) =<br />
= (a 1 b 1 + a 1 c 1 + 2a 2 b 2 + 2a 2 c 2 , a 1 b 2 + a 1 c 2 + a 2 b 1 + a 2 c 1 ) =<br />
= ( a 1 (b 1 + c 1 ) + 2a 2 (b 2 + c 2 ), a 1 (b 2 + c 2 ) + a 2 (b 1 + c 1 ) ) =<br />
= (a 1 , a 2 )(b 1 + c 1 , b 2 + c 2 ) = (a 1 , a 2 ) ( (b 1 , b 2 ) + (c 1 , c 2 ) ) = a(b + c).<br />
Wir haben also alle Eigenschaften nachgeprüft, und daher ist (¢ ×¢ , +, ·) wirklich e<strong>in</strong> Körper.
4.4. KÖRPER 81<br />
Als nächstes def<strong>in</strong>ieren wir e<strong>in</strong>e Abbildung f : ¢ × ¢ → ¢ [ √ 2] durch (a 1 , a 2 ) ↦→ a 1 +a 2<br />
√<br />
2.<br />
Die Abbildung ist offensichtlich bijektiv, und es gilt<br />
f(a + b) = f((a 1 , a 2 ) + (b 1 , b 2 )) = f((a 1 + b 1 , a 2 + b 2 )) = (a 1 + b 1 ) + (a 2 + b 2 ) √ 2 =<br />
= (a 1 + a 2<br />
√<br />
2) ⊕ (b1 + b 2<br />
√<br />
2) = f(a) ⊕ f(b),<br />
f(−a) = f((−a 1 , −a 2 )) = −a 1 + (−a 2 ) √ 2 = ⊖(a 1 + a 2<br />
√<br />
2) = ⊖f(a),<br />
f(ab) = f((a 1 , a 2 )(b 1 , b 2 )) = f((a 1 b 1 + 2a 2 b 2 , a 1 b 2 + a 2 b 1 )) =<br />
= (a 1 b 1 + 2a 2 b 2 ) + (a 1 b 2 + a 2 b 1 ) √ √ √<br />
2 = (a 1 + a 2 2) ⊗ (b2 + b 2 2) = f(a) ⊗ f(b),<br />
f(a −1 ) = f(a 1 /(a 2 1 − 2a 2 2), −a 2 /(a 2 1 − 2a 2 a 1<br />
2)) = + −a √<br />
2 2 =<br />
a 2 1 − 2a 2 2 a 2 1 − 2a 2 2<br />
= (a 1 + a 2<br />
√<br />
2) −1 = f(a) −1 .<br />
Daher ist f e<strong>in</strong> Körperisomorphismus, deshalb ist (¢ × ¢ , +, ·) isomorph zu ¢ [ √ 2]. Die beiden<br />
Strukturen s<strong>in</strong>d also identisch bis auf Umbenennen <strong>der</strong> Elemente.<br />
Abschließend beweisen wir noch, <strong>das</strong>s <strong>der</strong> Körper wirklich die speziellste aller hier vorgestellten<br />
Strukturen ist.<br />
Proposition 4.4.11. Je<strong>der</strong> Körper ist e<strong>in</strong> Integritätsbereich.<br />
Beweis. Seien a und b Elemente des Körpers mit ab = 0. Ist a ≠ 0, d<strong>an</strong>n existiert a −1 ,<br />
und es folgt<br />
ab = 0<br />
a −1 (ab) = a −1 0<br />
(a −1 a)b = 0<br />
1b = 0<br />
b = 0.<br />
Umgekehrt folgt aus b ≠ 0 sofort a = 0. Der Körper ist also nullteilerfrei.<br />
Diese letzte Proposition schließt unsere algebraischen Untersuchungen ab. Aufbauend auf<br />
den Körperaxiomen werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> l<strong>in</strong>earen Algebra darüber h<strong>in</strong>aus gehend neue Strukturen<br />
erschaffen werden wie die e<strong>in</strong>es Vektorraumes. Für die Analysis werden wir genauere<br />
Untersuchungen <strong>der</strong> rationalen, reellen und komplexen Zahlen benötigen. Alle diese Mengen<br />
s<strong>in</strong>d mit den bereits bek<strong>an</strong>nten Rechengesetzen ausgestattet und bilden Körper.<br />
In <strong>der</strong> höheren Algebra wird mit <strong>der</strong> genaueren Untersuchung <strong>der</strong> Strukturen selbst<br />
fortgefahren werden. M<strong>an</strong> wird Fragen stellen wie: Welche Arten von Gruppen (R<strong>in</strong>gen,<br />
Körpern) gibt es? K<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> alle endlichen Gruppen (R<strong>in</strong>ge, Körper) f<strong>in</strong>den? Alle diese<br />
Fragen und viele <strong>an</strong><strong>der</strong>e werden zum Ausbau <strong>der</strong> <strong>mathematische</strong>n Theorie beitragen und<br />
teilweise tief gehende Resultate hervorbr<strong>in</strong>gen.<br />
□
KAPITEL 5<br />
Zahlenmengen<br />
Der letzte Abschnitt wird uns zurück zu den konkreten D<strong>in</strong>gen führen. Wir werden uns<br />
wie<strong>der</strong> mit Zahlen beschäftigen. Nach <strong>der</strong> l<strong>an</strong>gen W<strong>an</strong><strong>der</strong>ung durch die Grundbegriffe <strong>der</strong><br />
Mathematik wie Logik, Mengenlehre und elementare Algebra, kehren wir zurück zu den<br />
Anfängen <strong>der</strong> Mathematik.<br />
Wir haben im Verlauf <strong>der</strong> verg<strong>an</strong>genen Kapitel häufig die verschiedenen Zahlenmengen<br />
als Beispiel verwendet. Wir s<strong>in</strong>d durch den täglichen Umg<strong>an</strong>g mit den Zahlen überzeugt, sie<br />
zu beherrschen, ihre Eigenschaften zu kennen. Es sche<strong>in</strong>t uns, <strong>das</strong>s wir völlig vertraut s<strong>in</strong>d<br />
mit ihnen.<br />
Doch trügt <strong>der</strong> Sche<strong>in</strong> nicht? Was ist √ 2 eigentlich? Haben wir diese Zahl wirklich verst<strong>an</strong>den?<br />
Das H<strong>in</strong>terfragen dessen, was wir zu wissen glauben, die kritische Analyse, ist e<strong>in</strong>es<br />
<strong>der</strong> Grundpr<strong>in</strong>zipen <strong>der</strong> mo<strong>der</strong>nen Naturwissenschaft.<br />
Im Gegensatz zu zuvor wollen wir aber jetzt den bereits mathematisch geschulten Blick<br />
auf <strong>das</strong> richten, was wir bereits zu kennen glaubten. Wir werden unser Wissen über Mengenlehre<br />
und <strong>mathematische</strong> Strukturen <strong>an</strong>zuwenden versuchen. Möglicherweise werden wir<br />
d<strong>an</strong>ach die Zahlen selbst <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em etwas verän<strong>der</strong>ten Licht betrachten.<br />
Das Kapitel ist <strong>in</strong> zwei Teile geteilt, die munter durche<strong>in</strong><strong>an</strong><strong>der</strong> gemischt ersche<strong>in</strong>en. Nur<br />
R<strong>an</strong>dstreifen trennen den vergleichsweise naiven o<strong>der</strong> beschreibenden Zug<strong>an</strong>g zu den Zahlenmengen<br />
und<br />
den axiomatisch exakten Zug<strong>an</strong>g, bei dem die Zahlenmengen direkt aus dem Zermelo–<br />
Fraenkelschen Axiomensystem ZFC konstruiert werden.<br />
5.1. Die natürlichen Zahlen<br />
Die natürlichen Zahlen s<strong>in</strong>d schon seit l<strong>an</strong>ger Zeit bek<strong>an</strong>nt. Sie entst<strong>an</strong>den aus dem<br />
natürlichen Zahlbegriff. Die Null als Zeichen und als eigenständige Zahl wurde aber erst<br />
Ende des Mittelalters akzeptiert. Wahrsche<strong>in</strong>lich stammt <strong>das</strong> Zeichen aus Indien. Die Null<br />
ist Element <strong>der</strong> natürlichen Zahlen. Wir def<strong>in</strong>ieren <strong>das</strong> so, und auch die DIN Norm 5473.<br />
Demnach ist<br />
:= {0, 1, 2, 3, 4, . . . }.<br />
Def<strong>in</strong>iert s<strong>in</strong>d <strong>für</strong> die Addition +, die Multiplikation ·, mit denen e<strong>in</strong>en kommutativen<br />
Halbr<strong>in</strong>g mit 0 und 1 (e<strong>in</strong> Dioid) ohne Nullteiler bildet (siehe Kapitel 4). Ferner ist e<strong>in</strong>e<br />
Totalordnung ≤ erklärt, die verträglich mit den Verknüpfungen ist:<br />
O1: Ist a ≤ b, so ist <strong>für</strong> alle c ∈ auch a + c ≤ b + c,<br />
O2: S<strong>in</strong>d x > 0 und y > 0, so ist xy > 0.<br />
Die Menge ist also e<strong>in</strong> geordnetes Dioid bezüglich Addition und Multiplikation. Sie ist<br />
die kle<strong>in</strong>stmächtige unendliche Menge, und es gilt | | = ℵ 0 .<br />
Die e<strong>in</strong>fachste axiomatische Beschreibung von stammt aus dem 19. Jahrhun<strong>der</strong>t und<br />
wurde von Giuseppe Pe<strong>an</strong>o gegeben:<br />
Die natürlichen Zahlen s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>e Menge mit e<strong>in</strong>er Vorschrift S, die die Pe<strong>an</strong>o Axiome<br />
erfüllt:<br />
PA1: 0 ∈ ,<br />
83
84 5. ZAHLENMENGEN<br />
PA2: ∀n ∈ : (S(n) ∈ ),<br />
PA3: ∀n ∈ : ¬(S(n) = 0),<br />
PA4: ∀n ∈ : ∀m ∈ : ((S(n) = S(m)) ⇒ n = m),<br />
PA5: ∀M ∈ § : (ψ(M) ⇒ M = ).<br />
Hier haben wir die Nachfolgereigenschaft verwendet:<br />
ψ(Y ) := ∀x : (0 ∈ Y ∧ (x ∈ Y ⇒ S(x) ∈ Y )).<br />
Das letzte Axiom postuliert übrigens <strong>das</strong> Induktionspr<strong>in</strong>zip. Die Vorschrift S ordnet je<strong>der</strong><br />
natürlichen Zahl n ihren Nachfolger n + 1 zu.<br />
5.1.1. Mengentheoretische Konstruktion von . Die Konstruktion <strong>der</strong> natürlichen<br />
Zahlen aus ZFC (den Axiomen <strong>der</strong> Mengenlehre von Zermelo und Fraenkel) funktioniert<br />
folgen<strong>der</strong>maßen.<br />
Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
0 := ∅<br />
1 := S(0) = 0 ∪ {0} = {∅}<br />
2 := S(1) = 1 ∪ {1} = { ∅, {∅} }<br />
3 := S(2) = 2 ∪ {2} =<br />
{∅, {∅}, { ∅, {∅} }}<br />
n :=<br />
{<br />
∅ n = 0<br />
S(n) = n ∪ {n} n ≠ 0<br />
Somit erhalten wir <strong>in</strong> Kurzform 0 = ∅, 1 = {0}, 2 = {0, 1} und allgeme<strong>in</strong> n = {0, 1, . . . , n−1}.<br />
Jede Zahl ist also identifiziert als die Menge, die alle kle<strong>in</strong>eren Zahlen enthält.<br />
So stellen wir uns <strong>das</strong> jedenfalls vor. Die Konstruktoren, die wir verwendet haben, s<strong>in</strong>d<br />
alle bereits def<strong>in</strong>iert, und ZF7 gar<strong>an</strong>tiert uns, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e Menge existiert, die alle diese Zahlen<br />
n enthält. Lei<strong>der</strong> wissen wir zwei D<strong>in</strong>ge noch nicht, nämlich ob es e<strong>in</strong>e Menge gibt die genau<br />
alle diese Zahlen enthält, denn nur d<strong>an</strong>n ist sie e<strong>in</strong>deutig bestimmt (und <strong>das</strong>, was wir uns<br />
naiv unter vorstellen).<br />
Theorem 5.1.1. Sei die Nachfolgereigenschaft ψ<br />
gegeben. D<strong>an</strong>n gilt<br />
ψ(Y ) := ∀X : (∅ ∈ Y ∧ (X ∈ Y ⇒ S(X) ∈ Y )).<br />
∃! : ∀M : (ψ( ) ∧ (ψ(M) ⇒ ⊆ M)).<br />
Mit <strong>an</strong><strong>der</strong>en Worten, es gibt genau e<strong>in</strong>e Menge <strong>der</strong> natürlichen Zahlen. Sie ist die kle<strong>in</strong>ste<br />
Menge, die die Nachfolgereigenschaft besitzt.<br />
Beweis. Wegen ZF7 gibt es e<strong>in</strong>e Menge Z, die die Eigenschaft ψ(Z) besitzt. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
N := {M § ∈ Z | ψ(M)}. Sei nun := ⋂ N . (Für e<strong>in</strong>e Mengenfamilie F ist ⋂ F<br />
def<strong>in</strong>iert durch ⋂ F := {x ∈ ⋃ F | ∀F ∈ F : (x ∈ F )}.)<br />
D<strong>an</strong>n gilt ∀M ∈ N : ψ(M), und daher ∀M ∈ N : (∅ ∈ M), also auch ∅ ∈ . Ferner<br />
wissen wir X ∈ ⇒ (∀M ∈ N : (X ∈ M)), deshalb ∀M ∈ N : (S(X) ∈ M), was wie<strong>der</strong>um<br />
S(X) ∈ zur Folge hat. Daher gilt ψ( ).<br />
Um E<strong>in</strong>deutigkeit zu zeigen, nehmen wir <strong>an</strong>, <strong>das</strong>s ∃M : ψ(M) (etwa e<strong>in</strong> M, <strong>das</strong> nicht<br />
Teilmenge von Z ist). Mit denselben Argumenten wie oben können wir zeigen, <strong>das</strong>s ψ(Z ∩M)<br />
gilt, sowie (Z ∩ M) ⊆ M und ⊆ Z ∩ M, was ⊆ M impliziert. □
Korollar 5.1.2. Es gilt <strong>das</strong> Induktionspr<strong>in</strong>zip<br />
5.1. DIE NATÜRLICHEN ZAHLEN 85<br />
∀M ∈ § : (ψ(M) ⇒ M = ).<br />
Beweis. Sei M ∈ § beliebig. Gilt ψ(M), so ist M ⊆ , und nach Voraussetzung gilt<br />
⊆ M, und daher ist M = . □<br />
Diese (etwas un<strong>in</strong>tuitive) Version <strong>der</strong> Konstruktion <strong>der</strong> natürlichen Zahlen ist viel mächtiger<br />
als die Def<strong>in</strong>itionen, die im neunzehnten Jahrhun<strong>der</strong>t gegeben wurden. Das sieht m<strong>an</strong><br />
alle<strong>in</strong> dar<strong>an</strong>, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Induktionspr<strong>in</strong>zip beweisen k<strong>an</strong>n und nicht als Axiom for<strong>der</strong>n<br />
muss. Alle fünf von Pe<strong>an</strong>o <strong>für</strong> die natürlichen Zahlen <strong>an</strong>gegebenen Axiome k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> leicht<br />
überprüfen.<br />
Proposition 5.1.3. Die Menge <strong>der</strong> natürlichen Zahlen erfüllt die Pe<strong>an</strong>o Axiome.<br />
Beweis. Die Axiome PA1 und PA2 gelten wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von und PF5 haben<br />
wir <strong>in</strong> Korollar 5.1.2 gezeigt. Es bleiben also nur noch PA3 und PA4.<br />
PA3 beweisen wir <strong>in</strong>direkt. Sei also n ∈ gegeben mit S(n) = 0. D<strong>an</strong>n ist S(n) =<br />
n ∪ {n} = ∅, doch es gilt n ∈ S(n), und daher S(n) ≠ ∅. Dieser Wi<strong>der</strong>spruch beweist PA3.<br />
Zum Beweis von PA4 nehmen wir <strong>an</strong>, <strong>das</strong>s m, n ∈ s<strong>in</strong>d mit S(n) = S(m). Sei k ∈ n.<br />
D<strong>an</strong>n ist auch k ∈ n ∪ {n} = S(n) = S(m) = m ∪ {m}, also k ∈ m o<strong>der</strong> k ∈ {m} wegen <strong>der</strong><br />
Eigenschaften von ∪. Weil aber die Menge {m} nur e<strong>in</strong> Element, nämlich m enthält, folgt<br />
daraus die Tatsache k ∈ m ∨ k = m. Ist k = m, so gilt n ∈ k ∨ n = k, weil n ∈ S(n) =<br />
S(m) = S(k), und daher wi<strong>der</strong>spricht entwe<strong>der</strong> {n, k} o<strong>der</strong> {k} dem Fundierungsaxiom ZF9.<br />
Daher gilt k ∈ m und auch n ⊆ m. Analog zeigt m<strong>an</strong> durch Vertauschen von m und n die<br />
Relation m ⊆ n, und es folgt n = m. Dies beweist auch PA4, und wir s<strong>in</strong>d fertig. □<br />
Die arithmetischen Operationen + und · def<strong>in</strong>iert m<strong>an</strong> ebenfalls über S. Die Totalordnung<br />
≤ ist e<strong>in</strong>fach<br />
m ≤ n :⇔ (m ∈ n ∨ m = n).<br />
Proposition 5.1.4. Die Relation ≤ ist e<strong>in</strong>e Totalordnung.<br />
Beweis. Reflexivität und Tr<strong>an</strong>sitivität s<strong>in</strong>d offensichtlich, und wäre die Antisymmetrie<br />
nicht erfüllt, d<strong>an</strong>n existierten zwei natürliche Zahlen m ≠ n ∈ mit n ≤ m und m ≤ n, also<br />
mit m ∈ n und n ∈ m. Gäbe es diese Zahlen, d<strong>an</strong>n könnten wir die Menge {m, n} bilden,<br />
welche ZF9 wi<strong>der</strong>spräche. Daher ist die Antisymmetrie erfüllt, und ≤ ist e<strong>in</strong>e Halbordnung.<br />
Um zu beweisen, <strong>das</strong>s ≤ e<strong>in</strong>e Totalordnung ist, müssen wir zeigen, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> je zwei Zahlen<br />
m, n ∈ entwe<strong>der</strong> m < n o<strong>der</strong> m = n o<strong>der</strong> m > n gilt.<br />
Beweisen wir zwei Hilfsresultate zuerst:<br />
HB1. ∀m, n ∈ : (m ∈ n ⇒ S(m) ⊆ n).<br />
Sei M := {n ∈ | ∀m ∈ : (m ∈ n ⇒ S(m) ⊆ n)}. Die 0 erfüllt die Bed<strong>in</strong>gung<br />
trivialerweise, daher ist 0 ∈ M. Sei nun n ∈ M. Gilt m ∈ S(n) = n ∪ {n}, so ist entwe<strong>der</strong><br />
m = n o<strong>der</strong> m ∈ n. Ist m = n, so ist S(m) = S(n) und daher gilt S(m) ⊆ S(n). Ist h<strong>in</strong>gegen<br />
m ∈ n, so gilt wegen n ∈ M auch S(m) ⊆ n ⊆ S(n), und somit gilt immer S(m) ⊆ S(n).<br />
Daher ist auch S(n) ∈ M und wegen Korollar 5.1.2 folgt M = . Dies beweist HB1.<br />
HB2. ∀m, n ∈ : ((m ⊆ n ∧ m ≠ n) ⇒ m ∈ n).<br />
Sei M := {n ∈ | ∀m ∈ : ((m ⊆ n ∧ m ≠ n) ⇒ m ∈ n)}. Ist m ⊆ 0, so ist<br />
m = 0 und daher 0 ∈ M. Sei nun n ∈ M. Wir betrachten S(n), und daher sei m ∈ mit<br />
m ⊆ S(n) ∧ m ≠ S(n). Ist k ∈ m, so gilt wegen S(n) = n ∪ {n}, <strong>das</strong>s entwe<strong>der</strong> k ∈ n<br />
o<strong>der</strong> k = n. Ist k = n, so ist n ∈ m und wegen HB1 folgt d<strong>an</strong>n S(n) ⊆ m. Dies ist aber<br />
e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch zu m ⊆ S(n) ∧ m ≠ S(n). Daher gilt ∀k ∈ m : k ∈ n, also m ⊆ n.<br />
Ist m = n, d<strong>an</strong>n haben wir m ∈ n ∪ {n} = S(n). Sonst gilt m ⊆ n ∧ m ≠ n, und weil<br />
n ∈ M vorausgesetzt ist auch m ∈ n. Dies impliziert aber m ∈ S(n), und S(n) ∈ M. Aus<br />
Korollar 5.1.2 folgt M = , was HB2 beweist.
86 5. ZAHLENMENGEN<br />
Sei M = {n ∈ | ∀m ∈ : (m < n ∨ m = n ∨ n < m)}. Betrachten wir zuerst 0. Ist<br />
0 ≠ n, so gilt 0 = ∅ ⊆ n, also 0 ∈ n wegen HB2, und daher 0 ∈ M. Sei nun n ∈ M. Betrachten<br />
wir S(n). Sei m ∈ gegeben. Gelten m ∈ n o<strong>der</strong> m = n, so haben wir m ∈ n ∪ {n} = S(n).<br />
Gilt <strong>an</strong><strong>der</strong>erseits n ∈ m, so folgt aus HB1, <strong>das</strong>s S(n) ⊆ m. Ist S(n) ≠ m, so ist S(n) ∈ m<br />
wegen HB2. Es gilt also m ∈ S(n) ∨ m = S(n) ∨ S(n) ∈ m, und daher S(n) ∈ M. Verwenden<br />
wir e<strong>in</strong> weiteres Mal Korollar 5.1.2, so sehen wir M = und wir s<strong>in</strong>d fertig. □<br />
Die arithmetische Operation + : × → sei unser nächstes Opfer. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
und f<strong>in</strong>den <strong>das</strong> folgende Resultat<br />
n + 0 = n<br />
n + S(m) = S(n + m)<br />
Proposition 5.1.5. Es gibt genau e<strong>in</strong>e Abbildung + : × → , die obige rekursive<br />
Def<strong>in</strong>ition erfüllt.<br />
Beweis. Beg<strong>in</strong>nen wir mit <strong>der</strong> E<strong>in</strong>deutigkeit. Seien + und ⊞ zwei Funktionen, die die<br />
rekursive Def<strong>in</strong>ition erfüllen. Setzen wir M := {n ∈ | ∀m ∈ : (m + n = m ⊞ n)}.<br />
Natürlich ist 0 ∈ M wegen n + 0 = n = n ⊞ 0. Sei nun n ∈ N, d<strong>an</strong>n haben wir <strong>für</strong> m ∈ die<br />
Gleichung m + S(n) = S(m + n) = S(m ⊞ n) wegen n ∈ N und S(m ⊞ n) = m ⊞ S(n), und<br />
daher S(n) ∈ M. Aus Korollar 5.1.2 folgt M = , und daher ist + = ⊞ als Teilmenge von<br />
( × ) × . Wir dürfen noch nicht von Abbildung reden, da wir die Abbildungseigenschaft<br />
noch nicht nachgewiesen haben. Dies können wir mit e<strong>in</strong>em ählichen Induktionsargument<br />
erreichen.<br />
Sei <strong>für</strong> jedes m ∈ die Abbildung“ + ” m : → def<strong>in</strong>iert durch + 0 (n) = n und<br />
+ S(m) (n) = S(+ m (n)). Dies macht + m zu e<strong>in</strong>er Relation, aber wir werden unten die Abbildungseigenschaft<br />
nachweisen:<br />
Sei M := {m ∈ | ∀n ∈ : ∀j ≤ m : ∃!k ∈ : (+ j (n) = k)}. Wegen ∀n ∈ : (+ 0 (n) = n)<br />
folgt sofort 0 ∈ M. Ist m ∈ M, d<strong>an</strong>n ist + 0 (n) = n e<strong>in</strong>deutig. Sei also j ≤ m. D<strong>an</strong>n<br />
existiert <strong>für</strong> beliebiges n ∈ genau e<strong>in</strong> k mit + j (n) = k. Also ist <strong>für</strong> S(j) die Beziehung<br />
+ S(j) (n) = S(+ j (n)) = S(k) erfüllt. Somit ist auch S(m) ∈ M, da <strong>für</strong> j ∈ mit j ≤ S(m)<br />
entwe<strong>der</strong> j = 0 ist o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> j ′ ∈ existiert mit j = S(j ′ ) und j ′ ≤ m. Somit impliziert<br />
Korollar 5.1.2 aber M = . Daher ist <strong>für</strong> jedes m ∈ die Relation + m tatsächlich e<strong>in</strong>e<br />
Abbildung, und + : × → ist d<strong>an</strong>n als Abbildung def<strong>in</strong>iert durch n + m = + m (n) <strong>für</strong><br />
alle m, n ∈ . □<br />
Mit ähnlichen Induktionsbeweisen zeigt m<strong>an</strong> noch, <strong>das</strong>s die arithmetische Operation · :<br />
× → rekursiv def<strong>in</strong>iert werden k<strong>an</strong>n durch<br />
n · 0 = 0<br />
n · S(m) = (n · m) + n<br />
Theorem 5.1.6. Die natürlichen Zahlen ( , +, ·) bilden e<strong>in</strong>en kommutativen Halbr<strong>in</strong>g<br />
mit 0 und 1.<br />
Beweis. Zeigen wir zunächst, <strong>das</strong>s ( , +) e<strong>in</strong>e kommutative Halbgruppe ist.<br />
BH1: ∀n ∈ : S(m) + n = m + S(n).<br />
Sei M := {n ∈ | ∀m ∈ : S(m) + n = m + S(n)}. Es gilt S(0) + 0 = S(0) und<br />
0 + S(0) = S(0 + 0) = S(0) und daher 0 ∈ M. Sei nun n ∈ M. Wir betrachten S(n)<br />
und erhalten <strong>für</strong> m ∈ die Beziehung S(m)+S(n) = S(S(m)+n) = S(m+S(n)) =<br />
m + S(S(n)) nach Def<strong>in</strong>ition von + und weil n ∈ M. Daher ist auch S(n) ∈ M und<br />
Korollar 5.1.2 liefert uns M = .
5.1. DIE NATÜRLICHEN ZAHLEN 87<br />
BH2: ∀n ∈ : 0 + n = n.<br />
Sei M := {n ∈ | 0 + n = n}. D<strong>an</strong>n ist 0 ∈ M wegen 0 + 0 = 0. Sei nun n ∈ M und<br />
betrachten wir S(n). Wir erhalten 0 + S(n) = S(0 + n) = S(n) aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition<br />
von + und weil n ∈ M. Daraus und aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition folgt, <strong>das</strong>s 0 e<strong>in</strong> Nullelement<br />
ist.<br />
KG(+): ∀n, m ∈ : n + m = m + n.<br />
Diese Beziehung zeigen wir ebenfalls mit Induktion. Sei M := {n ∈ | ∀m ∈ :<br />
m + n = n + m}. Wegen BH2 und <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von + gilt <strong>für</strong> alle n ∈ die<br />
Gleichung 0 + n = n + 0 und daher 0 ∈ M. Sei nun n ∈ M. D<strong>an</strong>n rechnen wir <strong>für</strong><br />
beliebiges m ∈ wie folgt: S(n)+m = n+S(n) = S(n+m) = S(m+n) = m+S(n).<br />
Zweimal haben wir die Def<strong>in</strong>ition von + verwendet und je e<strong>in</strong>mal die Tatsache<br />
n ∈ M und BH1. Daher ist S(n) ∈ M, und wegen Korollar 5.1.2 gilt M = . Daher<br />
ist + kommutativ.<br />
AG(+): ∀k, m, n ∈ : (k + n) + m = k + (n + m).<br />
E<strong>in</strong> weiterer Induktionsbeweis wird uns <strong>das</strong> Assoziativgesetz zeigen. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
M := {m ∈ : ∀k, n ∈ : (k + n) + m = k + (n + m)}, und wie<strong>der</strong> gilt 0 ∈ M,<br />
diesmal wegen (k + n) + 0 = k + n = k + (n + 0). Ist m ∈ M, d<strong>an</strong>n rechnen wir <strong>für</strong><br />
beliebige k, n ∈<br />
(k + n) + S(m) = S((k + n) + m) = S(k + (n + m)) =<br />
= k + S(n + m) = k + (n + S(m)).<br />
Das beweist S(m) ∈ M und damit M = wegen Korollar 5.1.2. Also ist + assoziativ<br />
und ( , +) e<strong>in</strong> kommutatives Monoid.<br />
BH3: ∀n ∈ : 0 · n = 0.<br />
Induktion mit M = {n ∈ | 0 · n = 0}. 0 ∈ M wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition 0 · 0 = 0. Ist<br />
n ∈ M, so ist auch S(n) ∈ M wegen 0 · S(n) = (0 · n) + 0 = 0 + 0 = 0. Korollar 5.1.2<br />
impliziert wie<strong>der</strong> M = .<br />
BH4: ∀n ∈ : S(0) · n = n · S(0) = n, also S(0) ist E<strong>in</strong>selement.<br />
Die erste Gleichung n · S(0) = n · 0 + n = 0 + n = n folgt direkt aus den Def<strong>in</strong>itionen<br />
von · und +. Die zweite Gleichung benötigt e<strong>in</strong>en Induktionsbeweis. Sei M := {n ∈<br />
| S(0) · n = n}. Es ist 0 ∈ M nach Def<strong>in</strong>ition von ·, und ist n ∈ M, so können wir<br />
rechnen<br />
S(0) · S(n) = (S(0) · n) + S(0) = n + S(0) = S(n + 0) = S(n).<br />
Daher ist S(n) ∈ M und M = wegen Korollar 5.1.2.<br />
BH5: ∀n, m ∈ : S(n) · m = n · m + m.<br />
Dieser erste Schritt zur Kommutativität folgt aus Korollar 5.1.2 nach Def<strong>in</strong>ition<br />
von M := {m ∈ | ∀n ∈ : S(n) · m = n · m + m}. Es gilt nämlich wegen<br />
S(n) · 0 = 0 = (n · 0) + 0, <strong>das</strong>s 0 ∈ M ist. Gilt nun m ∈ M, d<strong>an</strong>n haben wir <strong>für</strong><br />
beliebiges n ∈<br />
S(n) · S(m) = (S(n) · m) + S(n) = (n · m) + m + S(n) =<br />
= (n · m) + S(m) + n = (n · m) + n + S(m) =<br />
= (n · S(m)) + S(m)<br />
und damit S(m) ∈ M.<br />
KG(·): ∀m, n ∈ : m · n = n · m.<br />
Diesmal setzen wir M := {n ∈ | ∀m ∈ : m · n = n · m}. Es ist wegen <strong>der</strong><br />
Def<strong>in</strong>ition von · und BH3 0 ∈ M. Ist n ∈ M, so auch S(n) wegen m · S(n) =
88 5. ZAHLENMENGEN<br />
(m · n) + m = (n · m) + m = S(n) · m. Hier haben wir die Def<strong>in</strong>ition und BH5<br />
verwendet. Es ist also M = wegen Korollar 5.1.2.<br />
DG: ∀k, m, n ∈ : k · (m + n) = (k · m) + (k · n).<br />
Sei M = {k ∈ | ∀m, n ∈ : k · (m + n) = (k · m) + (k · n)}. D<strong>an</strong>n ist 0 ∈ M wegen<br />
0 · (m + n) = 0 = 0 + 0 = (0 · m) + (0 · n). Haben wir k ∈ M, so ist auch S(k) ∈ M<br />
wegen Def<strong>in</strong>itionen, Eigenschaften von + und BH4<br />
S(k) · (m + n) = (k · (m + n)) + (m + n) = (k · m) + (k · n) + m + n =<br />
= (k · m) + m + (k · n) + n = (S(k) · m) + (S(k) · n).<br />
Aus Korollar 5.1.2 erhalten wir M = .<br />
AG(·): ∀k, m, n ∈ : (k · m) · n = k · (m · n).<br />
Setzen wir diesmal M := {n ∈ | ∀k, m ∈ : (k · m) · n = k · (m · n)}. Es ist 0 ∈ M<br />
erfüllt, weil (k · m) · 0 = 0 = k · 0 = k · (m · 0). Ist nun n ∈ M und s<strong>in</strong>d k, m ∈<br />
beliebig, so rechnen wir nach dem zuvor bewiesenen<br />
(k · m) · S(n) = ((k · m) · n) + (k · m) = (k · (m · n)) + (k · m) =<br />
= k · ((m · n) + m) = k · (m · S(n)).<br />
Verwenden wir e<strong>in</strong> letztes Mal Korollar 5.1.2, so erhalten wir M = .<br />
Somit haben wir alle erfor<strong>der</strong>lichen Eigenschaften e<strong>in</strong>es kommutativen Halbr<strong>in</strong>gs mit 0 und<br />
1 nachgewiesen. □<br />
Die Vorr<strong>an</strong>gregel · vor + führen wir e<strong>in</strong>, um uns überflüssige Klammerung zu ersparen.<br />
Wir haben nun die natürlichen Zahlen mit ihren Rechenoperationen e<strong>in</strong>geführt. Wir lassen <strong>in</strong><br />
Zukunft auch <strong>das</strong> Multiplikationszeichen weg, wenn dadurch ke<strong>in</strong>e Zweideutigkeit entsteht.<br />
Theorem 5.1.7. Die Ordnungsrelation ≤ und die arithmetischen Operationen + und ·<br />
s<strong>in</strong>d verträglich.<br />
(1) ∀k, m, n ∈ : (m ≤ n ⇒ k + m ≤ k + n),<br />
(2) ∀k, l, m, n ∈ : ((m ≤ n ∧ k ≤ l) ⇒ k + m ≤ l + n),<br />
(3) ∀k, m, n ∈ : (n + k ≤ n + m ⇒ k ≤ m),<br />
(4) ∀k, m, n ∈ : (m ≤ n ⇒ km ≤ kn),<br />
(5) ∀k, m, n ∈ : ((n ≠ 0 ∧ nk ≤ nm) ⇒ k ≤ m).<br />
Beweis. Im gesamten Beweis def<strong>in</strong>ieren wir e<strong>in</strong>e Menge M und beweisen 0 ∈ M und<br />
die Implikation n ∈ M =⇒ S(n) ∈ M. D<strong>an</strong>n verwenden wir Korollar 5.1.2, um M = zu<br />
schließen.<br />
Zu Beg<strong>in</strong>n beweisen wir die Hilfsbehauptung ∀m, n ∈ : (m ≤ n ⇔ S(m) ≤ S(n))). Es<br />
gelten<br />
und<br />
m ≤ n ⇒ m ∈ n ∨ m = n ⇒ S(m) ⊆ n ∨ S(m) = S(n) ⇒<br />
⇒ (S(m) ⊆ S(n) ∧ S(m) ≠ S(n)) ∨ S(m) = S(n) ⇒<br />
⇒ S(m) ∈ S(n) ∨ S(m) = S(n) ⇒ S(m) ≤ S(n).<br />
S(m) ≤ S(n) ⇒ S(m) ∈ S(n) ∨ S(m) = S(n) ⇒ S(m) ∈ n ∪ {n} ∨ m = n ⇒<br />
⇒ S(m) ∈ n ∨ S(m) = n ∨ m = n ⇒ m ∈ n ∨ m = n ⇒ m ≤ n,<br />
was die Hilfsbehauptung zeigt.<br />
(1) M := {k ∈ | ∀m, n ∈ : (m ≤ n ⇒ k + m ≤ k + n)}. Trivial ist 0 ∈ M. Für<br />
k ∈ M wissen wir<br />
m ≤ n ⇒ k + m ≤ k + n ⇒ S(k + m) ≤ S(k + n) ⇒ S(k) + m ≤ S(k) + n.
5.1. DIE NATÜRLICHEN ZAHLEN 89<br />
Daher ist S(k) ∈ M.<br />
(2) Es gilt k ≤ l und daher ist k+m ≤ l+m. Wegen m ≤ n gilt außerdem l+m ≤ l+n.<br />
Aus <strong>der</strong> Tr<strong>an</strong>sitivität von ≤ folgt schließlich k + m ≤ l + n.<br />
(3) Sei M := {n ∈ | ∀k, m ∈ : (n + k ≤ n + m ⇒ k ≤ m)}. Es gilt wie<strong>der</strong><br />
trivialerweise 0 ∈ M und <strong>für</strong> n ∈ M f<strong>in</strong>den wir wegen<br />
S(n) + k ≤ S(n) + m ⇒ S(n + k) ≤ S(n + m) ⇒ n + k ≤ n + m ⇒ k ≤ m<br />
und S(n) ∈ M.<br />
(4) M := {k ∈ | ∀m, n ∈ : (m ≤ n ⇒ km ≤ kn)}. Trivial s<strong>in</strong>d 0 ∈ M, da 0 ≤ 0,<br />
und S(0) ∈ M. Für k ∈ M wissen wir<br />
m ≤ n ⇒ km ≤ kn ⇒ km + m ≤ kn + n ⇒ S(k)m ≤ S(k)n.<br />
Daher ist S(k) ∈ M.<br />
(5) Sei M := {k ∈ | ∀n, m ∈ : ((n ≠ 0 ∧ nk ≤ nm) ⇒ k ≤ m)}. Es gilt<br />
trivialerweise 0 ∈ M, und <strong>für</strong> k ∈ M f<strong>in</strong>den wir<br />
nS(k) ≤ nm ⇒ nk + n ≤ nm. (5.4)<br />
Nun unterscheiden wir zwei Fälle. Ist m = 0, so muss nk +n = 0 se<strong>in</strong>, da die e<strong>in</strong>zige<br />
Zahl z ∈ mit z ≤ 0 die 0 ist. Das ist aber nur möglich, wenn n = 0 ist; dies ist<br />
aber nicht erlaubt. Also gilt m ≠ 0, und damit existiert m ′ ∈ mit m = S(m ′ ).<br />
Wir folgern <strong>in</strong> Gleichung (5.4) weiter<br />
nk + n ≤ nS(m ′ ) ⇒ nk + n ≤ nm ′ + n ⇒ nk ≤ nm ′ ⇒<br />
⇒ k ≤ m ′ ⇒ S(k) ≤ S(m ′ ) = m.<br />
Daher ist auch S(k) ∈ M und M = .<br />
□<br />
Theorem 5.1.8. Im Halbr<strong>in</strong>g ( , +, ·) gelten die folgenden Regeln:<br />
(1) Aus nm = 0 folgt bereits n = 0 o<strong>der</strong> m = 0.<br />
(2) Aus n + m = n + k folgt m = k.<br />
(3) Aus nm = nk <strong>für</strong> n ≠ 0 folgt m = k.<br />
Beweis.<br />
(1) Sei n ≠ 0 und m ≠ 0. D<strong>an</strong>n gibt es m ′ , n ′ ∈ mit n = S(n ′ ) und m = S(m ′ )<br />
und wir erhalten mn = S(m ′ )S(n ′ ) = m ′ S(n ′ ) + S(n ′ ) = m ′ n ′ + m ′ + S(n ′ ) =<br />
S(m ′ n ′ + m ′ + n ′ ) ≠ 0 wegen PA3.<br />
(2) Sei M := {n ∈ | ∀m, k ∈ : (n + m = n + k ⇒ m = k)}. D<strong>an</strong>n ist 0 ∈ M weil<br />
aus 0 + m = 0 + k trivialerweise m = k folgt. Sei nun n ∈ M. D<strong>an</strong>n gilt wegen<br />
Def<strong>in</strong>itionen und PA4<br />
S(n) + m = S(n) + k ⇒ S(n + m) = S(n + k) ⇒ n + m = n + k ⇒ m = k.<br />
Daher ist S(n) ∈ M und M = wegen Korollar 5.1.2.<br />
(3) Aus nm = nk können wir nm ≤ nk folgern, und daraus wegen Theorem 5.1.7 Punkt<br />
(5) auch m ≤ k. Da wir <strong>an</strong>alog auch nk ≤ nm und daraus k ≤ m schließen können,<br />
folgt <strong>der</strong> Rest aus <strong>der</strong> Antisymmetrie <strong>der</strong> Ordnungsrelation.<br />
Damit hätten wir alle Behauptungen bewiesen.<br />
□
90 5. ZAHLENMENGEN<br />
5.2. Die g<strong>an</strong>zen ¡ Zahlen<br />
Die g<strong>an</strong>zen Zahlen s<strong>in</strong>d die zweite Zahlenmenge, die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule e<strong>in</strong>geführt wird. Um<br />
ke<strong>in</strong>e Probleme mit <strong>der</strong> Umkehrung <strong>der</strong> Addition, <strong>der</strong> Subtraktion − zu erhalten, führt m<strong>an</strong><br />
die negativen Zahlen e<strong>in</strong>, die Ergebnisse, wenn m<strong>an</strong> größere Zahlen von kle<strong>in</strong>eren subtrahiert.<br />
Zu je<strong>der</strong> natürlichen Zahl n gibt es e<strong>in</strong>e negative Zahl −n mit n + (−n) = 0. Auf diese Weise<br />
¡ wird zu e<strong>in</strong>er abelschen Gruppe bezüglich <strong>der</strong> Addition. Wir haben<br />
= {. . . , −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, . . . }.<br />
¡<br />
Zusammen mit <strong>der</strong> Addition + und <strong>der</strong> Multiplikation · ¡ bildet e<strong>in</strong>en Integritätsbereich.<br />
Ferner k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> die Totalordnung von ¡ auf fortsetzen, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> erklärt −n ≤ −m :⇔<br />
m ≤ n und −m ≤ 0 <strong>für</strong> alle natürlichen Zahlen m. Diese Ordnungsrelation erfüllt d<strong>an</strong>n<br />
dieselben Verträglichkeitsbed<strong>in</strong>gungen O1 und O2 wie sie schon <strong>in</strong> gelten.<br />
Die g<strong>an</strong>zen Zahlen s<strong>in</strong>d gleich mächtig wie . Es gilt |¡ also | = ℵ 0 .<br />
5.2.1. Mengentheoretische Konstruktion ¡ von . Machen wir nun den nächsten<br />
Schritt und versuchen wir e<strong>in</strong>e mengentheoretische Konstruktion <strong>der</strong> g<strong>an</strong>zen Zahlen.<br />
Gehen wir dazu von aus. Bis jetzt ist dies ja die e<strong>in</strong>zige unendliche Zahlenmenge, die<br />
wir aus den Axiomen konstruiert haben. Bilden wir × , die Paare natürlicher Zahlen.<br />
Def<strong>in</strong>ieren wir e<strong>in</strong>e Relation ∼ auf × durch<br />
(m, n) ∼ (m ′ , n ′ ) : ⇐⇒ m + n ′ = m ′ + n<br />
Proposition 5.2.1. Die Relation ∼ ist e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf × .<br />
Beweis. Die Reflexivität ist offensichtlich erfüllt, ebenso wie die Symmetrie. Kommen<br />
wir zur Tr<strong>an</strong>sitivität. Seien (m, n) ∼ (m ′ , n ′ ) und (m ′ , n ′ ) ∼ (m ′′ , n ′′ ). D<strong>an</strong>n gelten m + n ′ =<br />
m ′ +n und m ′ +n ′′ = m ′′ +n ′ . Daher wissen wir m+n ′ +m ′′ = m ′ +n+m ′′ und daraus wie<strong>der</strong>um<br />
folgt m + m ′ + n ′′ = m ′ + n + m ′′ . Verwenden wir nun Eigenschaft 2 aus Theorem 5.1.8, so<br />
erhalten wir m + n ′′ = m ′′ + n und (m, n) ∼ (m ′′ , n ′′ ).<br />
□<br />
Wir ¡ def<strong>in</strong>ieren := ( × )/ ∼ als Faktormenge bezüglich <strong>der</strong> oben def<strong>in</strong>ierten Relation.<br />
Nun wollen wir die Operationen + und · und die Relation ≤ auch ¡ auf def<strong>in</strong>ieren.<br />
+: Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
[(m 1 , m 2 )] + [(n 1 , n 2 )] := [(m 1 + n 1 , m 2 + n 2 )].<br />
Dies ist wohldef<strong>in</strong>iert. Seien (m 1 , m 2 ) und (m ′ 1, m ′ 2) zwei verschiedene Repräsent<strong>an</strong>ten<br />
von [(m 1 , m 2 )]. D<strong>an</strong>n gilt m 1 + m ′ 2 = m ′ 1 + m 2 und wir erhalten<br />
(m 1 + n 1 ) + (m ′ 2 + n 2 ) = (m 1 + m ′ 2) + (n 1 + n 2 ) =<br />
= (m ′ 1 + m 2 ) + (n 1 + n 2 ) =<br />
= (m ′ 1 + n 1 ) + (m 2 + n 2 ).<br />
Daher ist (m 1 + n 1 , m 2 + n 2 ) ∼ (m ′ 1 + n 1 , m ′ 2 + n 2 ). Analog weist m<strong>an</strong> die wohldef<strong>in</strong>iertheit<br />
im zweiten Term nach.<br />
·: Für die Multiplikation setzen wir<br />
[(m 1 , m 2 )] · [(n 1 , n 2 )] := [(m 1 n 1 + m 2 n 2 , m 1 n 2 + m 2 n 1 )].<br />
Auch <strong>das</strong> ist wohldef<strong>in</strong>iert, wie m<strong>an</strong> leicht nachrechnet.<br />
≤: Die Ordnungsrelation führt m<strong>an</strong> auch zurück auf die Relation <strong>in</strong> :<br />
[(m 1 , m 2 )] ≤ [(n 1 , n 2 )] : ⇐⇒ m 1 + n 2 ≤ n 1 + m 2 .<br />
Diese Relation ist wohldef<strong>in</strong>iert, was m<strong>an</strong> leicht nachrechnet. Sie ist auch offensichtlich<br />
reflexiv. Sie ist symmetrisch, weil aus [(m 1 , m 2 )] ≤ [(n 1 , n 2 )] und [(n 1 , n 2 )] ≤
5.2. DIE GANZEN ZAHLEN 91<br />
[(m 1 , m 2 )] und den Eigenschaften von ≤ auf die Beziehung m 1 + n 2 = n 1 + m 2 ,<br />
also (m 1 , m 2 ) ∼ (n 1 , n 2 ) und daher [(m 1 , m 2 )] = [(n 1 , n 2 )] folgt.<br />
Die Tr<strong>an</strong>sitivität erhält m<strong>an</strong> so: [(m 1 , m 2 )] ≤ [(n 1 , n 2 )] impliziert m 1 + n 2 ≤<br />
n 1 + m 2 , und aus [(n 1 , n 2 )] ≤ [(k 1 , k 2 )] folgt n 1 + k 2 ≤ k 1 + n 2 . Aus Theorem 5.1.7<br />
erhalten wir<br />
m 1 + n 2 + k 2 ≤ n 1 + m 2 + k 2 ≤ k 1 + n 2 + m 2 ,<br />
woraus schließlich m 1 + k 2 ≤ k 1 + m 2 folgt, also [(m 1 , m 2 )] ≤ [(k 1 , k 2 )].<br />
Jetzt haben wir die Grundoperationen def<strong>in</strong>iert. Es bleibt noch, ihre Eigenschaften zu<br />
beweisen.<br />
Theorem 5.2.2. Die g<strong>an</strong>zen Zahlen (¡<br />
, +, ·) s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> Integritätsbereich.<br />
Beweis. Verifizieren wir zuerst, (¡ <strong>das</strong>s , +) e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ist:<br />
G1: Es gilt ([(m 1 , m 2 )] + [(n 1 , n 2 )]) + [(k 1 , k 2 )] = [(m 1 , m 2 )] + ([(n 1 , n 2 )] + [(k 1 , k 2 )]),<br />
weil die Operation komponentenweise def<strong>in</strong>iert ist und + auf assoziativ ist.<br />
G2: Das Element [(0, 0)] ist neutrales Element, wie m<strong>an</strong> sofort e<strong>in</strong>sieht.<br />
G3: Sei [(m 1 , m 2 )] ¡ ∈ beliebig. D<strong>an</strong>n ist <strong>das</strong> Element [(m 2 , m 1 )] e<strong>in</strong> Inverses bezüglich<br />
<strong>der</strong> Addition.<br />
Es gilt [(m 1 , m 2 )] + [(m 2 , m 1 )] = [(m 1 + m 2 , m 1 + m 2 )] = [(0, 0)].<br />
G4: Das Kommutativgesetz ist erfüllt, weil es <strong>in</strong> ( , +) gilt und die Operation ¡ <strong>in</strong><br />
komponentenweise auf Repräsent<strong>an</strong>ten def<strong>in</strong>iert ist.<br />
Nun müssen wir zeigen, (¡ <strong>das</strong>s , ·) e<strong>in</strong> kommutatives Monoid ist:<br />
M1: Es gilt ([(m 1 , m 2 )][(n 1 , n 2 )])[(k 1 , k 2 )] = [(m 1 , m 2 )]([(n 1 , n 2 )][(k 1 , k 2 )]). Das sieht<br />
m<strong>an</strong> nach l<strong>an</strong>ger aber e<strong>in</strong>facher Rechnung e<strong>in</strong>.<br />
M2: Das Element [(1, 0)] ist E<strong>in</strong>selement. Das ist leicht.<br />
M3: Es gilt <strong>das</strong> Kommutativgesetz [(m 1 , m 2 )][(n 1 , n 2 )] = [(n 1 , n 2 )][(m 1 , m 2 )]. Das<br />
folgt unmittelbar aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition.<br />
D: Ebenso mühsam aber e<strong>in</strong>fach nachzurechnen wie <strong>das</strong> Assoziativgesetz ist <strong>das</strong> Distributivgesetz.<br />
Was bleibt, ist die Freiheit von Nullteilern zu zeigen. Seien [(m 1 , m 2 )] und [(n 1 , n 2 )] zwei<br />
Elemente ¡ von mit [(m 1 , m 2 )][(n 1 , n 2 )] = [(0, 0)]. Aus dieser Beziehung folgt mit Hilfe <strong>der</strong><br />
Def<strong>in</strong>itionen von · und ∼ die Beziehung<br />
m 1 n 1 + m 2 n 2 = m 1 n 2 + m 2 n 1 . (5.5)<br />
Hilfsbehauptung: Wir zeigen nun, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> je vier Zahlen m, n, k, l ∈<br />
mk + nl = ml + nk ∧ m ≠ n<br />
schon k = l folgt. Wie immer beweisen wir <strong>das</strong> mit vollständiger Induktion. Sei<br />
M := { n ∈ | ∀k, l, m ∈ : ( (mk + nl = ml + nk ∧ m ≠ n) ⇒ k = l )} .<br />
D<strong>an</strong>n gilt 0 ∈ M, weil<br />
mk + 0l = ml + 0k ⇒ mk = ml ⇒ k = l wegen m ≠ n = 0 und Theorem 5.1.8.<br />
Sei nun n ∈ M. D<strong>an</strong>n untersuchen wir<br />
mk + S(n)l = ml + S(n)k<br />
Für m = 0 haben wir 0k+S(n)l = 0l+S(n)k, woraus sofort l = k folgt wegen Theorem 5.1.8<br />
(3). Sei also nun m ≠ 0 und m ≠ S(n). D<strong>an</strong>n existiert m ′ ∈ mit S(m ′ ) = m, und wir<br />
aus
92 5. ZAHLENMENGEN<br />
können unter Verwendung von Theorem 5.1.8 rechnen<br />
mk + S(n)l = ml + S(n)k<br />
mk + nl + l = ml + nk + k<br />
S(m ′ )k + nl + l = S(m ′ )l + nk + k<br />
m ′ k + k + nl + l = m ′ l + l + nk + k<br />
m ′ k + nl = m ′ l + nk.<br />
Falls n ≠ m ′ gilt, d<strong>an</strong>n können wir aus n ∈ M schon l = k folgern. Das ist aber <strong>der</strong> Fall,<br />
weil S(m ′ ) = m ≠ S(n) vorausgesetzt war. Daher ist auch S(n) ∈ M und aus Korollar 5.1.2<br />
folgt M = und die Hilfsbehauptung.<br />
Kehren wir zurück zu unserer Beziehung (5.5). Aus <strong>der</strong> Hilfsbehauptung erhalten wir <strong>für</strong><br />
m 1 ≠ m 2 die Folgerung n 1 = n 2 , also [(n 1 , n 2 )] = [(0, 0)]. Gilt <strong>an</strong><strong>der</strong>erseits m 1 = m 2 , so<br />
bedeutet <strong>das</strong> [(m 1 , m 2 )] = [(0, 0)] und wir schließen die Nichtexistenz von Nullteilern. □<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
Wir können sehr leicht nachrechnen, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> die Elemente [(n, 0)] dieselben Rechenregeln<br />
gelten wie <strong>für</strong> natürliche Zahlen n. Außerdem s<strong>in</strong>d alle diese Zahlen verschieden (n ≠ m ⇒<br />
[(n, 0)] ≠ [(m, 0)]). Es ist also ⊆ mit dieser Identifikation. Wir schreiben <strong>in</strong> Zukunft<br />
auch n <strong>für</strong> diese Elemente. Es ist nun <strong>das</strong> Inverse bzgl. + von n die Klasse [(0, n)], und wir<br />
schreiben <strong>für</strong> dieses Element von kurz −n. Die Elemente [(n, 0)] und [(0, n)] <strong>für</strong> n ∈<br />
s<strong>in</strong>d auch schon alle Elemente <strong>in</strong> , da<br />
([m 1 , m 2 ]) = m 1 + (−m 2 ) =<br />
{<br />
([m 1 − m 2 , 0]) falls m 1 ≥ m 2<br />
([0, m 2 − m 1 ]) falls m 1 < m 2 . .<br />
Damit haben wir endlich die uns vertraute Form <strong>der</strong> g<strong>an</strong>zen Zahlen als ± “ erreicht.<br />
”<br />
Es gilt <strong>für</strong> alle n, m ∈ , <strong>das</strong>s [(n, 0)] ≤ [(m, 0)] genau d<strong>an</strong>n, wenn n ≤ m. Das folgt<br />
direkt aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition. Ebenfalls aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition folgt sogleich [(0, n)] ≤ [(0, m)], d<strong>an</strong>n<br />
und nur d<strong>an</strong>n wenn m ≤ n ist. Schließlich k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> noch aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition ablesen,<br />
<strong>das</strong>s <strong>für</strong> ∋ n ≠ 0 die Ungleichungen [(0, n)] < [(0, 0)] < [(n, 0)] gelten. Die natürlichen<br />
Zahlen entsprechen also genau den positiven Elementen ¡ von , und die Elemente −n s<strong>in</strong>d<br />
die negativen Elemente (die negativen Zahlen).<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
¡<br />
Theorem 5.2.3. Für die Ordnungsrelation von<br />
(1) ∀m, n ∈ : (m ≤ n =⇒ −m ≥ −n),<br />
(2) ∀k, m, n ∈ : (m ≤ n ⇒ m + k ≤ n + k),<br />
(3) ∀m, n ∈ : ((m > 0 ∧ n > 0) ⇒ mn > 0),<br />
(4) ∀k, m, n ∈ : ((k > 0 ∧ m ≤ n) ⇒ km ≤ kn),<br />
(5) ∀k, m, n ∈ : ((k < 0 ∧ m ≤ n) ⇒ km ≥ kn),<br />
(6) ∀k, m, n ∈ : ((k > 0 ∧ km ≤ kn) ⇒ m ≤ n)<br />
Beweis.<br />
f<strong>in</strong>den wir die folgenden Eigenschaften.<br />
(1) S<strong>in</strong>d die Vorzeichen von m und n verschieden, so wissen wir m ≤ 0 ≤ n und daher<br />
−m ≥ 0 ≥ −n. S<strong>in</strong>d m und n positiv, so s<strong>in</strong>d −m = [(0, m)] und −n = [(0, n)].<br />
Wegen m ≤ n gilt nach Def<strong>in</strong>ition von ≤ ¡ auf die Beziehung −m ≥ −n. Haben<br />
wir umgekehrt m ≤ n ≤ 0, so impliziert <strong>das</strong> <strong>an</strong>alog zu oben −m ≥ −n.
5.3. DIE RATIONALEN ZAHLEN 93<br />
(2) S<strong>in</strong>d m = [(m 1 , m 2 )], n = [(n 1 , n 2 )] und k = [(k 1 , k 2 )], so erhalten wir wegen Theorem<br />
5.1.7<br />
m ≤ n<br />
[(m 1 , m 2 )] ≤ [(n 1 , n 2 )]<br />
m 1 + n 2 ≤ m 2 + n 1<br />
m 1 + k 1 + n 2 + k 2 ≤ m 2 + k 2 + n 1 + k 1<br />
[(m 1 + k 1 , m 2 + k 2 )] ≤ [(n 1 + k 1 , n 2 + k 2 )]<br />
m + k ≤ n + k<br />
(3) Dies folgt aus Theorem 5.1.7.(4) und <strong>der</strong> Nullteilerfreiheit.<br />
(4) Ist m ≥ 0, so folgt aus Theorem 5.1.7.(4) sofort km ≥ 0 = k0. Gilt nun m ≤ n, so<br />
folgt aus (2) 0 ≤ n − m und aus dem schon bewiesenen 0 ≤ k(n − m) = kn − km<br />
und wir erhalten wie<strong>der</strong> aus (2) die gesuchte Ungleichung km ≤ kn.<br />
(5) Für k ≤ 0 ist −k ≥ 0 und alles weitere folgt aus (4).<br />
(6) Gilt km ≤ kn, so erhalten wir aus (2) die Beziehung 0 ≤ k(n − m). Weil k > 0 gilt,<br />
können wir aus Theorem 5.1.7.(5) 0 ≤ n − m und damit wegen (2) m ≤ n schließen.<br />
Proposition 5.2.4. Ist k ≠ 0, so folgt aus km = kn schon m = n <strong>für</strong> beliebige m, n ∈ ¡ .<br />
Beweis. Es gilt km = kn =⇒ 0 = km − kn =⇒ 0 = k(m − n). Weil k ≠ 0 gilt, muss<br />
wegen <strong>der</strong> Nullteilerfreiheit m − n = 0, also m = n gelten.<br />
□<br />
□<br />
5.3. Die rationalen ¢ Zahlen<br />
Die rationalen Zahlen s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>e weiter, die nächst umfassen<strong>der</strong>e von früher bek<strong>an</strong>nte<br />
Zahlenmenge. Ebenso wie m<strong>an</strong> die g<strong>an</strong>zen Zahlen konstruiert, um die Subtraktion <strong>für</strong> alle<br />
Zahlen durchführen zu können, muss m<strong>an</strong> <strong>für</strong> die Umkehrung <strong>der</strong> Multiplikation wie<strong>der</strong> die<br />
Zahlenmenge erweitern.<br />
M<strong>an</strong> geht von den g<strong>an</strong>zen Zahlen zu den Bruchzahlen über. M<strong>an</strong> führt also Ausdrücke<br />
<strong>der</strong> Form<br />
q = m n<br />
e<strong>in</strong>. Hier entdeckt m<strong>an</strong> die ersten beiden Schwierigkeiten, auf die m<strong>an</strong> bei <strong>der</strong> naiven <strong>E<strong>in</strong>führung</strong><br />
<strong>der</strong> g<strong>an</strong>zen Zahlen nicht gestoßen ist. Erstens schafft m<strong>an</strong> es nicht, dem Ausdruck m S<strong>in</strong>n 0<br />
zu geben, ohne Wi<strong>der</strong>sprüche zu verursachen. Zweitens bemerkt m<strong>an</strong>, <strong>das</strong>s es notwendig ist,<br />
Ausdrücke <strong>der</strong> Form m km<br />
und <strong>für</strong> gleich zu erklären ( 1 = 2 ). Mathematisch heißt <strong>das</strong>, m<strong>an</strong><br />
n kn 2 4<br />
muss ¢<br />
bei <strong>der</strong> <strong>E<strong>in</strong>führung</strong> von Äquivalenzklassen bilden und die Null im Nenner verbieten!<br />
M<strong>an</strong> def<strong>in</strong>iert also als die Äquivalenzklassen von Brüchen <strong>der</strong> Form m g<strong>an</strong>zer Zahlen<br />
¢<br />
n<br />
mit n ≠ 0. M<strong>an</strong> f<strong>in</strong>det, <strong>das</strong>s es <strong>in</strong> je<strong>der</strong> Äquivalenzklasse e<strong>in</strong>en Bruch gibt, so<strong>das</strong>s m und n<br />
teilerfremd s<strong>in</strong>d und weiters n > 0 gilt.<br />
Zusammen mit <strong>der</strong> Addition ¢ + und · bildet e<strong>in</strong>en ¢ Körper. Außerdem ist auf e<strong>in</strong>e<br />
Ordnungsrelation ¢<br />
≤ def<strong>in</strong>iert, <strong>für</strong> die e<strong>in</strong> geordneter Körper ist.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.3.1. E<strong>in</strong> Körper (K, +, ·), <strong>der</strong> auch e<strong>in</strong>e geordnete Menge (K, ≤) ist, heißt<br />
geordneter Körper, falls die Eigenschaften<br />
O1: ∀q, r, s ∈ K : (q ≤ r ⇒ q + s ≤ r + s),<br />
O2: ∀q, r ∈ K : ((q > 0 ∧ r > 0) ⇒ qr > 0).<br />
erfüllt s<strong>in</strong>d. Wir schreiben d<strong>an</strong>n (K, +, ·, ≤).
94 5. ZAHLENMENGEN<br />
Die Ordnungsrelation muss also mit den Rechenoperationen verträglich se<strong>in</strong>. Aus den<br />
Ordnungsaxiomen können wir auch bereits die bek<strong>an</strong>nten Rechengesetze <strong>für</strong> Ungleichungen<br />
herleiten, wie ”<br />
<strong>das</strong> Ungleichheitszeichen dreht sich um, wenn m<strong>an</strong> mit e<strong>in</strong>er negativen Zahl<br />
multipliziert“.<br />
Proposition 5.3.2. In e<strong>in</strong>em geordneten Körper (K, +, ·, ≤) gelten folgende Aussagen.<br />
(1) Ist x ≥ 0 d<strong>an</strong>n gilt −x ≤ 0.<br />
(2) Ist x ≥ 0 und y ≤ z, d<strong>an</strong>n folgt xy ≤ xz.<br />
(3) Gelten x < 0 und y ≤ z, so ist xy ≥ xz.<br />
(4) Für x ≠ 0 ist x 2 > 0 und daher 1 > 0.<br />
(5) Ist 0 < x < y, d<strong>an</strong>n folgt 0 < y −1 < x −1 .<br />
Beweis.<br />
(1) x ≤ 0 =⇒ (−x) + x ≤ 0 + (−x) =⇒ 0 ≤ −x.<br />
(2) Für y = z wissen wir xy = xz. Ist y < z, so ist 0 < z − y. Für x = 0 gilt<br />
wie<strong>der</strong> 0 = xy = xz = 0. Ist schließlich x > 0, d<strong>an</strong>n folgt aus Def<strong>in</strong>ition 5.3.1<br />
0 < x(z − y) = xz − xy und somit ist xy < xz.<br />
(3) Dies folgt aus (1) und (2).<br />
(4) Ist x > 0, so gilt x 2 = x · x > 0 wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition. Für x < 0 ist −x > 0 und<br />
x 2 = (−x)(−x) > 0. Es ist 1 ≠ 0 und 1 2 = 1.<br />
(5) Ist x > 0, so ist x −1 > 0. Wäre <strong>das</strong> nicht so, hätten wir 1 = xx −1 < 0 im Wi<strong>der</strong>spruch<br />
zu (4). Gilt 0 < x < y, so wissen wir x −1 y −1 > 0, und daher folgt<br />
x < y<br />
x(x −1 y −1 ) < y(x −1 y −1 )<br />
y −1 < x −1 .<br />
Proposition 5.3.3. Die Menge ist <strong>in</strong> ¢ nach oben unbeschränkt.<br />
Beweis. Angenommen, sei ¢ <strong>in</strong> beschränkt. D<strong>an</strong>n existieren positive natürliche Zahlen<br />
k und m mit <strong>der</strong> Eigenschaft, <strong>das</strong>s ∀n ∈ : n ≤ m . Das ist gleichbedeutend mit <strong>der</strong> Aussage,<br />
k<br />
<strong>das</strong>s ∀n ∈ : nk ≤ m wegen Proposition 5.3.2.(2). Nachdem k positiv ist, muss nk ≥ n se<strong>in</strong>,<br />
weil k ≥ 1 gilt (k = k ′ +1, daher nk = nk ′ +n mit n ≥ 0 und k ′ ≥ 0, also nk ′ ≥ 0, was nk ≥ n<br />
impliziert) und daher existiert e<strong>in</strong>e positive natürliche Zahl m so, <strong>das</strong>s ∀n ∈ : n ≤ m. Es<br />
ist aber m + 1 > m, e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch. Daher ist ¢ <strong>in</strong> unbeschränkt. □<br />
|¢ ¢ Die Menge Q ist abzählbar. Es gilt also | = ℵ 0 . Außerdem besitzt ke<strong>in</strong>en nichttrivialen<br />
Unterkörper.<br />
5.3.1. Mengentheoretische Konstruktion von ¢ . Wenn wir die g<strong>an</strong>zen Zahlen konstruiert<br />
haben, steht uns nichts im Wege, dieselbe Konstruktion so ähnlich noch e<strong>in</strong>mal<br />
durchzuführen. Im folgenden bezeichne ¡ + := {n ∈ ¡ | n > 0} die Menge <strong>der</strong> positiven<br />
Elemente <strong>in</strong> ¡ , also <strong>der</strong> natürlichen Zahlen ungleich 0.<br />
Betrachten wir auf <strong>der</strong> Menge ¡ × ¡ + die Relation<br />
(m 1 , m 2 ) ∼ (n 1 , n 2 ) : ⇐⇒ m 1 n 2 = m 2 n 1 .<br />
Insbeson<strong>der</strong>e gilt <strong>für</strong> jede positive natürliche Zahl n die Relation (m 1 , m 2 ) ∼ (nm 1 , nm 2 ).<br />
Proposition 5.3.4. Es gilt wie<strong>der</strong> ∼ ist e<strong>in</strong>e Äquivalenzrelation auf ¡ × ¡ +.<br />
Beweis.<br />
Reflexivität: ist offensichtlich,<br />
Symmetrie: erfüllt, weil Def<strong>in</strong>ition symmetrisch ist,<br />
□
5.3. DIE RATIONALEN ZAHLEN 95<br />
Tr<strong>an</strong>sitivität: Seien (m 1 , m 2 ) ∼ (n 1 , n 2 ) und (n 1 , n 2 ) = (k 1 , k 2 ). D<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d m 1 n 2 =<br />
m 2 n 1 und n 1 k 2 = n 2 k 1 . Multiplizieren wir die erste Gleichung mit k 2 , so erhalten wir<br />
m 1 n 2 k 2 = m 2 n 1 k 2 . Jetzt können wir die zweite Gleichung e<strong>in</strong>setzen und erhalten<br />
m 1 n 2 k 2 = m 2 n 2 k 1 . Nachdem n 2 ≠ 0 gilt und ¡ e<strong>in</strong> Integritätsbereich ist, folgt<br />
m 1 k 2 = m 2 k 1 , also (m 1 , m 2 ) ∼ (k 1 , k 2 ).<br />
□<br />
¢ ¢ ¡ ¡ Die Menge <strong>der</strong> rationalen Zahlen ist def<strong>in</strong>iert als Faktormenge := × +/ ∼ .<br />
Wenn wir die Operationen<br />
[(m 1 , m 2 )] + [(n 1 , n 2 )] := [(m 1 n 2 + m 2 n 1 , m 2 n 2 )]<br />
[(m 1 , m 2 )] · [(n 1 , n 2 )] := [(m 1 n 1 , m 2 n 2 )]<br />
def<strong>in</strong>ieren, so s<strong>in</strong>d diese wohldef<strong>in</strong>iert und es gilt <strong>der</strong> folgende Satz<br />
Theorem 5.3.5. Die Menge <strong>der</strong> rationalen (¢ Zahlen , +, ·) ist e<strong>in</strong> Körper mit Nullelement<br />
[(0, 1)] und E<strong>in</strong>selement [(1, 1)]. Die Menge aller Elemente <strong>der</strong> Form [(n, 1)] <strong>für</strong> n ¡ ∈<br />
¡ entspricht mit allen se<strong>in</strong>en Eigenschaften (aka ist isomorph ¡ zu ).<br />
Beweis. Beg<strong>in</strong>nen wir mit <strong>der</strong> Wohldef<strong>in</strong>iertheit von +. Sei (m ′ 1, m ′ 2) ∈ [(m 1 , m 2 )]. D<strong>an</strong>n<br />
haben wir m ′ 1m 2 = m 1 m ′ 2 und<br />
[(m ′ 1, m ′ 2)] + [(n 1 , n 2 )] = [(m ′ 1n 2 + m ′ 2n 1 , m ′ 2n 2 )] = [((m ′ 1n 2 + m ′ 2n 1 )m 2 , m ′ 2n 2 m 2 )] =<br />
= [(m ′ 1n 2 m 2 + m ′ 2n 1 m 2 , m ′ 2n 2 m 2 ) = [(m ′ 2m 1 n 2 + m ′ 2n 1 m 2 , m ′ 2n 2 m 2 )] =<br />
= [(m ′ 2(m 1 n 2 + n 1 m 2 ), m ′ 2n 2 m 2 )] = [(m 1 n 2 + n 1 m 2 , n 2 m 2 )] =<br />
= [(m 1 , m 2 )] + [(n 1 , n 2 )].<br />
Die Wohldef<strong>in</strong>iertheit im zweiten Term zeigt m<strong>an</strong> <strong>an</strong>alog.<br />
Nun rechnen wir die Gruppenaxiome <strong>für</strong> + nach<br />
K1: Seien q = [(q 1 , q 2 )], [(r 1 , r 2 )] und [(s 1 , s 2 )]. Wir rechnen<br />
(q + r) + s = [(q 1 r 2 + q 2 r 1 , q 2 r 2 )] + [(s 1 , s 2 )] = [((q 1 r 2 + q 2 r 1 )s 2 + s 1 q 2 r 2 , q 2 r 2 s 2 )] =<br />
= [(q 1 r 2 s 2 + q 2 r 1 s 2 + s 1 q 2 r 2 , q 2 r 2 s 2 )] = [(q 1 r 2 s 2 + q 2 (r 1 s 2 + r 2 s 1 ), q 2 r 2 s 2 )] =<br />
= [(q 1 , q 2 )] + [(r 1 s 2 + r 2 s 1 , r 2 s 2 )] = q + (r + s)<br />
K2: Die Def<strong>in</strong>ition von q + r ist symmetrisch <strong>in</strong> q und r.<br />
K3: Es gilt [(q 1 , q 2 )] + [(0, 1)] = [(1q 1 + 0q 2 , 1q 2 )] = [(q 1 , q 2 )]. Daher ist 0 = [(0, 1)] <strong>das</strong><br />
neutrale Element.<br />
K4: Wir rechnen [(q 1 , q 2 )] + [(−q 1 , q 2 )] = [(q 1 q 2 − q 1 q 2 , q 2 2)] = [(0, q 2 2)] = [(0, 1)] = 0.<br />
Das <strong>in</strong>verse Element von [(q 1 , q 2 )] ist also [(−q 1 , q 2 )].<br />
Die Wohldef<strong>in</strong>iertheit <strong>der</strong> Multiplikation erkennen wir aus <strong>der</strong> folgenden Rechnung. Sei<br />
(m ′ 1, m ′ 2) ∈ [(m 1 , m 2 )] und deshalb m ′ 1m 2 = m 1 m ′ 2. D<strong>an</strong>n f<strong>in</strong>den wir<br />
[(m ′ 1, m ′ 2)][(n 1 , n 2 )] = [(m ′ 1n 1 , m ′ 2n 2 )] = [(m ′ 1n 1 m 2 , m ′ 2n 2 m 2 )] =<br />
= [(m ′ 2m 1 n 1 , m ′ 2n 2 m 2 )] = [(m 1 n 1 , n 2 m 2 )] = [(m 1 , m 2 )][(n 1 , n 2 )].<br />
Die Wohldef<strong>in</strong>iertheit im zweiten Faktor zeigt m<strong>an</strong> <strong>an</strong>alog.<br />
Die Gruppenaxiome <strong>für</strong> · kommen nun.<br />
K5, K6: Die Multiplikation ist komponentenweise def<strong>in</strong>iert, und die Multiplikation<br />
g<strong>an</strong>zer Zahlen ist kommutativ und assoziativ.<br />
K7: Das Element 1 := [(1, 1)] ≠ [(0, 1)] ist offensichtlich E<strong>in</strong>selement.<br />
K8: Ist q = [(q 1 , q 2 )] ≠ 0, d<strong>an</strong>n ist q 1 ≠ 0 und wir f<strong>in</strong>den q −1 = [(q 2 , q 1 )], falls q 1 > 0<br />
und q −1 = [(−q 2 , −q 1 )] <strong>für</strong> q 1 < 0. Dass d<strong>an</strong>n q −1 <strong>das</strong> Inverse von q ist, ist e<strong>in</strong>fach<br />
e<strong>in</strong>zusehen.
96 5. ZAHLENMENGEN<br />
Das Distributivgesetz sieht m<strong>an</strong> so e<strong>in</strong>.<br />
K9: Für q = [(q 1 , q 2 )], r = [(r 1 , r 2 )] und s = [(s 1 , s 2 )] rechnen wir<br />
q(r + s) = [(q 1 , q 2 )] ( [(r 1 , r 2 )] + [s 1 , s 2 ] ) = [(q 1 , q 2 )][(r 1 s 2 + r 2 s 1 , r 2 s 2 )] =<br />
= [(q 1 (r 1 s 2 + r 2 s 1 ), q 2 r 2 s 2 )] = [(q 1 r 1 s 2 + q 1 r 2 s 1 , q 2 r 2 s 2 )] =<br />
= [(q 1 r 1 q 2 s 2 + q 2 r 2 q 1 s 1 , q 2 2r 2 s 2 )] = [(q 1 r 1 , q 2 r 2 )] + [(q 1 s 1 , q 2 s 2 )] =<br />
= [(q 1 , q 2 )][r 1 , r 2 ] + [(q 1 , q 2 )][(s 1 , s 2 )] = qr + qs<br />
Daher ist ¢ e<strong>in</strong> Körper. □<br />
Führen wir darüber h<strong>in</strong>aus die Relation ≤ e<strong>in</strong>, <strong>in</strong>dem wir for<strong>der</strong>n<br />
[(m 1 , m 2 )] ≤ [(n 1 , n 2 )] : ⇐⇒ m 1 n 2 ≤ n 1 m 2 ,<br />
so ist dies wohldef<strong>in</strong>iert. Hätten wir etwa (m ′ 1, m ′ 2) ∈ [(m 1 , m 2 )] gewählt, so ist m 1 m ′ 2 = m ′ 1m 2<br />
und wir haben<br />
m 1 n 2 ≤ n 1 m 2<br />
m 1 m ′ 2n 2 ≤ n 1 m 2 m ′ 2<br />
m ′ 1m 2 n 2 ≤ n 1 m 2 m ′ 2<br />
m ′ 1n 2 ≤ n 1 m ′ 2 wegen m 2 > 0 und Theorem 5.2.3.<br />
Analog zeigen wir die Wohldef<strong>in</strong>iertheit auf <strong>der</strong> rechten Seite.<br />
Theorem 5.3.6. Die Relation ≤ macht ¢<br />
zu e<strong>in</strong>em geordneten Körper.<br />
Beweis. Wir müssen die Bed<strong>in</strong>gungen O1 und O2 nachweisen:<br />
O1: Seien q = [(q 1 , q 2 )], r = [(r 1 , r 2 )] und s = [(s 1 , s 2 )]. D<strong>an</strong>n gilt<br />
q ≤ r =⇒ q 1 r 2 ≤ q 2 r 1 =⇒ q 1 s 2 r 2 ≤ r 1 s 2 q 2 =⇒<br />
=⇒ (q 1 s 2 + s 1 q 2 )r 2 ≤ (r 1 s 2 + s 1 r 2 )q 2 =⇒<br />
=⇒ (q 1 s 2 + s 1 q 2 )r 2 s 2 ≤ (r 1 s 2 + s 1 r 2 )q 2 s 2 =⇒<br />
=⇒ [(q 1 s 2 + s 1 q 2 , q 2 s 2 )] ≤ [(r 1 s 2 + s 1 r 2 , r 2 s 2 )] =⇒ q + s ≤ r + s.<br />
O2: Sei q = [(q 1 , q 2 )] > 0, d<strong>an</strong>n folgt q 1 > 0. Für r = [(r 1 , r 2 )] gilt <strong>an</strong>alog r 1 > 0.<br />
Daher ist qr = [(q 1 r 1 , q 2 r 2 )] > 0, weil q 1 r 1 > 0 gilt wegen Theorem 5.2.3.<br />
Wenn wir zu guter Letzt die Schreibweise<br />
{<br />
m<br />
n := [(m, n)] <strong>für</strong> n > 0<br />
[(−m, −n)] <strong>für</strong> n < 0<br />
erklären, d<strong>an</strong>n haben wir die Bruchzahlen“ wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>geführt und die gewohnte Notation<br />
”<br />
¢ von zurückgewonnen.<br />
Auch die g<strong>an</strong>zen ¡ Zahlen können wir ¢ <strong>in</strong> wie<strong>der</strong>f<strong>in</strong>den. Wenn wir die Elemente <strong>der</strong> Form<br />
[(n, 1)] betrachten, so sehen wir, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> m ≠ n auch [(m, 1)] ≠ [(n, 1)] gilt. Die Rechenoperationen<br />
¡ <strong>in</strong> gelten auch: [(m, 1)] + [(n, 1)] = [(m + n, 1)] und [(m, 1)][(n, 1)] = [(mn, 1)].<br />
Die Abbildung ι ¡ : ¢ → mit ι : z ↦→ [(z, 1)] ist e<strong>in</strong> <strong>in</strong>jektiver R<strong>in</strong>ghomomorphismus. Wir<br />
können ¡ also ∼ = ι(¡ ) ¢ ⊆ als Teilr<strong>in</strong>g (sogar Teil-Integritätsbereich) sehen. Wir werden<br />
Elemente <strong>der</strong> Form [(m, 1)] daher weiterh<strong>in</strong> mit <strong>der</strong> g<strong>an</strong>zen Zahl m identifizieren.<br />
□
5.4. Die reellen Zahlen £<br />
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 97<br />
Die reellen Zahlen s<strong>in</strong>d die vorletzte Zahlenmenge, die wir genauer untersuchen wollen.<br />
Weil e<strong>in</strong>ige wichtige Beziehungen ¢ <strong>in</strong> nicht berechnet werden können (etwa die Länge <strong>der</strong><br />
Diagonale des E<strong>in</strong>heitsquadrates o<strong>der</strong> die Fläche des E<strong>in</strong>heitskreises), bleibt uns ke<strong>in</strong>e Wahl<br />
als die Zahlenmenge e<strong>in</strong> weiteres Mal zu vergrößern.<br />
Der ¢ Körper ist auch löchrig“ im folgenden S<strong>in</strong>n. Betrachten wir die beiden disjunkten<br />
”<br />
Mengen<br />
A = {x ∈ ¢ | x > 0 ∧ x 2 < 2}<br />
B = {x ∈ ¢ | x > 0 ∧ x 2 > 2},<br />
d<strong>an</strong>n ist <strong>der</strong>en Vere<strong>in</strong>igung A ∪ B ¢ = +. Wir würden aber vom Gefühl erwarten, <strong>das</strong>s<br />
zwischen den beiden Mengen noch e<strong>in</strong>e Zahl se<strong>in</strong> sollte. Das ist natürlich nicht möglich,<br />
da diese Zahl die Gleichung x 2 = 2 erfüllen würde, was bek<strong>an</strong>ntermaßen <strong>in</strong> den rationalen<br />
Zahlen nicht möglich ist.<br />
Um die Löcher zu stopfen, müssen wir ¢ zu irrationale Zahlen h<strong>in</strong>zufügen und erhalten<br />
den geordneten (£ Körper , +, ·, ≤), den wir auch als Zahlengerade repräsentieren. Die<br />
rationalen Zahlen s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> geordneter Unterkörper £ von .<br />
Die reellen Zahlen bilden die Grundlage <strong>der</strong> Analysis, und daher müssen wir e<strong>in</strong>ige wichtige<br />
Eigenschaften £ von ableiten.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.1. E<strong>in</strong>e geordnete Menge M ist ordnungsvollständig (hat die Supremums–Eigenschaft),<br />
wenn zu je<strong>der</strong> nichtleeren nach oben beschränkten Teilmenge E ⊆ M<br />
<strong>das</strong> Supremum sup E ∈ M existiert.<br />
Um diese Eigenschaft vernünftig <strong>an</strong>wenden zu können, müssen wir zuerst e<strong>in</strong>ige äquivalente<br />
Formulierungen beweisen.<br />
Proposition 5.4.2. Sei M e<strong>in</strong>e geordnete Menge. D<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d äquivalent:<br />
(1) M ist ordnungsvollständig.<br />
(2) Jede nach unten beschränkte nichtleere Teilmenge F ⊆ M besitzt e<strong>in</strong> Infimum<br />
<strong>in</strong>f F ∈ M.<br />
(3) Für je zwei nichtleere Teilmengen E und F von M mit<br />
gibt es e<strong>in</strong> Element m ∈ M mit<br />
∀a ∈ E : ∀b ∈ F : a ≤ b<br />
∀a ∈ E : ∀b ∈ F : a ≤ m ≤ b.<br />
Beweis. Wir beg<strong>in</strong>nen mit (1)⇒(2). Sei F ⊆ M und F ≠ ∅. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
E := {x ∈ M | ∀f ∈ F : x ≤ f}.<br />
Die Menge E ist nach oben beschränkt, weil jedes Element <strong>in</strong> F e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke <strong>für</strong> E ist.<br />
Außerdem ist E nichtleer, da es e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von F gibt, und E ist die Menge aller<br />
unteren Schr<strong>an</strong>ken von F . Nach Voraussetzung existiert <strong>das</strong> Supremum α = sup E ∈ M.<br />
Wir zeigen nun, <strong>das</strong>s α = <strong>in</strong>f F gilt. Nachdem E die Menge aller unteren Schr<strong>an</strong>ken von F<br />
ist, ist α größer o<strong>der</strong> gleich allen unteren Schr<strong>an</strong>ken von E. Wir müssen also nur zeigen, <strong>das</strong>s<br />
α e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von F ist. Angenommen, <strong>das</strong> ist nicht <strong>der</strong> Fall. D<strong>an</strong>n gäbe es e<strong>in</strong><br />
f ∈ F mit f < α. Weil E die Menge <strong>der</strong> unteren Schr<strong>an</strong>ken von F ist, gilt ∀e ∈ E : e ≤ f.<br />
Daher ist f e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von E, e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch zur Supremumseigenschaft von α.<br />
Daher ist α tatsächlich e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von F , also <strong>in</strong>f F .<br />
(2)⇒(3): Seien E und F Mengen wie <strong>in</strong> <strong>der</strong> Voraussetzung. Wegen (2) existiert m := <strong>in</strong>f F .<br />
Klarerweise ist m ≤ b <strong>für</strong> alle b ∈ F . Es ist außerdem ∀a ∈ E : a ≤ m, denn wäre <strong>das</strong> nicht<br />
<strong>der</strong> Fall, so gäbe es e<strong>in</strong> e ∈ E mit e > m. Wegen <strong>der</strong> Eigenschaften von E und F ist aber
98 5. ZAHLENMENGEN<br />
e e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von F , was <strong>der</strong> Infimumseigenschaft von m wi<strong>der</strong>spricht. Daher gilt<br />
(3).<br />
(3)⇒(1): Sei E e<strong>in</strong>e nach oben beschränkte Menge. Wir def<strong>in</strong>ieren die Menge F aller oberen<br />
Schr<strong>an</strong>ken von E als<br />
F := {x ∈ M | ∀e ∈ E : e ≤ x} ≠ ∅.<br />
Nach Voraussetzung existiert d<strong>an</strong>n e<strong>in</strong> m ∈ M mit e ≤ m ≤ f <strong>für</strong> alle e ∈ E und f ∈ F .<br />
Daher ist m e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von E. Sei α < m. D<strong>an</strong>n ist α /∈ F , also ke<strong>in</strong>e obere<br />
Schr<strong>an</strong>ke. Daher ist m <strong>das</strong> Supremum von E.<br />
□<br />
Beispiel 5.4.3. Die Menge <strong>der</strong> rationalen Zahlen ist nicht ordnungsvollständig.<br />
Betrachten wir nämlich die Teilmengen A und B von ¢ , die def<strong>in</strong>iert s<strong>in</strong>d durch<br />
A = {x ∈ ¢ | x > 0 ∧ x 2 < 2},<br />
B = {x ∈ ¢ | x > 0 ∧ x 2 > 2}.<br />
Es gilt ∀a ∈ A : ∀b ∈ B : a < b, 1 ∈ A und 2 ∈ B. Das folgt aus den Eigenschaften <strong>der</strong><br />
Ordnungsrelation:<br />
b − a = b2 − a 2<br />
b + a > 0.<br />
Wäre ordnungsvollständig, d<strong>an</strong>n gäbe es e<strong>in</strong> Element m ¢ ∈ mit a ≤ m ≤ b <strong>für</strong> alle a ∈ A<br />
¢<br />
und b ∈ B. Def<strong>in</strong>ieren wir nun c := m − m2 −2<br />
= 2m+2 > 0. Damit gilt<br />
m+2 m+2<br />
c 2 − 2 = 2(m2 − 2)<br />
(m + 2) 2 .<br />
Ist nun m 2 > 2, d<strong>an</strong>n folgen c 2 > 2 und c < m, also ist c ∈ B mit c < m, e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch.<br />
An<strong>der</strong>erseits gelten <strong>für</strong> m 2 < 2 sowohl c 2 < 2 als auch c > m. Das impliziert wegen c ∈ A<br />
und c > m ebenfalls e<strong>in</strong>en Wi<strong>der</strong>spruch. Folglich muss c 2 = 2 se<strong>in</strong>, was aber ¢ <strong>in</strong> unmöglich<br />
ist wegen Theorem 3.2.4.<br />
Theorem 5.4.4 (Richard Dedek<strong>in</strong>d). Es existiert bis auf Isomorphie genau e<strong>in</strong> ordnungsvollständiger<br />
geordneter £ Körper , ¢ <strong>der</strong> als geordneten Unterkörper besitzt. Wir nennen<br />
die Menge <strong>der</strong> reellen Zahlen und die Elemente <strong>der</strong> £ Menge ¢ \ die irrationalen<br />
£<br />
Zahlen.<br />
Beweis. In Abschnitt 5.4.1.<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n sich auf den St<strong>an</strong>dpunkt von Hilbert stellen, <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e saubere axiomatische<br />
<strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>der</strong> reellen Zahlen als ordnungsvollständigen geordneten Körper den mengentheoretischen<br />
Konstruktionen vorzog, und pragmatisch <strong>das</strong> Theorem 5.4.4 zur Def<strong>in</strong>ition<br />
erheben. Was auch immer m<strong>an</strong> tut, die folgenden Ergebnisse folgen nur aus den Eigenschaften<br />
und nicht aus <strong>der</strong> speziellen mengentheoretischen Konstruktion.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.5. Für £ x ∈ def<strong>in</strong>ieren wir den Absolutbetrag von x durch<br />
{<br />
x falls x ≥ 0<br />
|x| =<br />
−x falls x < 0.<br />
Proposition 5.4.6. Zu zwei reellen Zahlen x, y £ ∈ mit x > 0 existiert e<strong>in</strong>e natürliche<br />
Zahl n so, <strong>das</strong>s<br />
nx > y<br />
gilt. Das £ heißt, besitzt die archimedische Eigenschaft.<br />
Zwischen zwei reellen Zahlen x, y £ ∈ mit x < y gibt es e<strong>in</strong>e rationale Zahl q ¢ ∈ und<br />
e<strong>in</strong>e irrationale Zahl r £ ∈ ¢ \ :<br />
x < q < y und x < r < y.<br />
□
M<strong>an</strong> sagt auch ¢ und £ \ ¢ liegen dicht <strong>in</strong> £ .<br />
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 99<br />
Beweis. Beg<strong>in</strong>nen wir mit <strong>der</strong> archimedischen Eigenschaft. Sei A := {nx | n ∈ }. Wäre<br />
die archimedische Eigenschaft nicht erfüllt, d<strong>an</strong>n wäre y e<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von A. Damit<br />
wäre A nach oben beschränkt und hätte e<strong>in</strong> Supremum, £ weil die Supremumseigenschaft<br />
besitzt. Sei α = sup A. Wegen x > 0 ist α − x < α, also ist α − x ke<strong>in</strong>e obere Schr<strong>an</strong>ke von<br />
A. Somit existiert e<strong>in</strong>e natürliche Zahl n mit α − x < nx. D<strong>an</strong>n ist aber α < (n + 1)x, e<strong>in</strong><br />
Wi<strong>der</strong>spruch dazu, <strong>das</strong>s α obere Schr<strong>an</strong>ke von A ist. Also gilt die archimedische Eigenschaft.<br />
Die Dichtheit ¢ von folgt direkt. Sei nämlich x < y und damit y − x > 0. Wegen <strong>der</strong><br />
archimedischen Eigenschaft gibt es e<strong>in</strong>e natürliche Zahl n so, <strong>das</strong>s n(y − x) > 1 ist. Wir<br />
können auch natürliche Zahlen m 1 und m 2 f<strong>in</strong>den mit m 1 > nx und m 2 > −nx. Wir haben<br />
jetzt<br />
−m 2 < nx < m 1 ,<br />
was die Existenz e<strong>in</strong>er g<strong>an</strong>zen Zahl m impliziert mit<br />
m − 1 ≤ nx ≤ m und − m 2 ≤ m ≤ m 1 .<br />
Die Komb<strong>in</strong>ation aller dieser Ungleichungen liefert<br />
nx < m ≤ 1 + nx < ny<br />
x < m n < y,<br />
wobei die letzte Ungleichung aus n > 0 folgt. Setzen wir q = m , so haben wir alles bewiesen,<br />
n<br />
was behauptet wurde.<br />
Wenden wir <strong>das</strong> Argument zweimal <strong>an</strong>, so können wir rationale Zahlen q 1 und q 2 <strong>an</strong> mit<br />
x < q 1 < q 2 < y. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
r := q 1 + q 2 − q 1<br />
√<br />
2 > q1 .<br />
2<br />
Die Zahl r ist irrational, weil √ 2 irrational ist. Außerdem ist<br />
q 2 − r = (q 2 − q 1 )(1 − 1 √<br />
2<br />
) > 0,<br />
und deswegen gilt x < q 1 < r < q 2 < y.<br />
□<br />
betrifft <strong>das</strong> Wurzelziehen. Es folgt nämlich aus <strong>der</strong> Or-<br />
E<strong>in</strong>e weitere Eigenschaft £ von<br />
nungsvollständigkeit:<br />
Proposition 5.4.7. Für alle a ∈ £ mit a > 0 und alle positiven n ∈ gibt es genau e<strong>in</strong><br />
x ∈ £ mit x > 0 und x n = a.<br />
Beweis. Beweisen wir zuerst die E<strong>in</strong>deutigkeit: S<strong>in</strong>d x ≠ y zwei Lösungen, so ist o.B.d.A.<br />
x < y. Mit den Ordnungseigenschaften und vollständiger Induktion folgt d<strong>an</strong>n <strong>für</strong> jedes<br />
n ∈ , <strong>das</strong>s x n < y n , also x n ≠ y n .<br />
Ist n = 1 o<strong>der</strong> a ∈ {0, 1}, d<strong>an</strong>n ist die Aussage trivial.<br />
Seien nun a > 1 und n ≥ 2. D<strong>an</strong>n def<strong>in</strong>ieren wir<br />
A := {x ∈ £<br />
| x > 0 ∧ x n ≤ a},<br />
Weil 1 ∈ A liegt und ∀x ∈ A : x < a gilt (x ≥ a ⇒ x n ≥ a n > a), wissen wir, <strong>das</strong>s s = sup A<br />
existiert.<br />
Wir wollen jetzt beweisen, <strong>das</strong>s s n = a gilt.
100 5. ZAHLENMENGEN<br />
Fall 1: Ist s n < a, so def<strong>in</strong>ieren wir b := (1 + s) n − s n > 0 und wählen 0 < ε <<br />
m<strong>in</strong>{1, a−sn }. D<strong>an</strong>n folgt<br />
b<br />
∑n−1<br />
( n<br />
(s + ε) n = s<br />
k)<br />
k ε n−k + s n ≤<br />
k=0<br />
∑n−1<br />
( n<br />
≤ ε s<br />
k)<br />
k + s n =<br />
k=0<br />
∑<br />
j<br />
0 ≤ 2j − 1 ≤ n<br />
= εb + s n < a,<br />
e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch zur Supremumseigenschaft von s.<br />
Fall 2: Ist s n > a, so def<strong>in</strong>ieren bzw. wählen wir<br />
( ) n<br />
c :=<br />
s n−2j+1 > 0,<br />
2j − 1<br />
0 < ε < m<strong>in</strong>{1, sn −a}.<br />
c<br />
D<strong>an</strong>n rechnen wir nach<br />
∑n−1<br />
( n<br />
(s − ε) n = s n + (−1)<br />
k)<br />
n−k s k ε n−k ≥<br />
≥ s n +<br />
k=0<br />
∑ j<br />
(<br />
)<br />
(−1) n−(n−2j+1) n<br />
s n−2j+1 ε 2j−1 ≥<br />
n − (2j − 1)<br />
≥ s n − ε<br />
0 ≤ 2j − 1 ≤ n<br />
∑<br />
j<br />
0 ≤ 2j − 1 ≤ n<br />
= s n − εc > a.<br />
( n<br />
2j − 1<br />
)<br />
s n−2j+1 =<br />
Dies wi<strong>der</strong>spricht <strong>der</strong> Tatsache, <strong>das</strong>s s = sup A gilt.<br />
Deshalb muss s n = a gelten, was wir zeigen wollten.<br />
Ist nun a < 1, d<strong>an</strong>n ist 1 > 1. Wir können also e<strong>in</strong> y ∈ f<strong>in</strong>den £<br />
a<br />
gilt <strong>für</strong> x = 1, <strong>das</strong>s y xn = a ist.<br />
mit yn = 1 . D<strong>an</strong>n aber<br />
a<br />
□<br />
Es gibt auch bei den irrationalen Zahlen noch gewisse Unterschiede. Die Zahl √ 2 tritt<br />
als Nullstelle e<strong>in</strong>es Polynoms mit rationalen Koeffizienten auf. Es ist √ 2 nämlich Nullstelle<br />
von x 2 − 2.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.8. E<strong>in</strong>e reelle Zahl r heißt algebraisch, wenn es n ∈ und rationale<br />
Zahlen a 0 , . . . , a n gibt mit<br />
n∑<br />
a i r i = 0.<br />
i=0<br />
E<strong>in</strong>e bis C<strong>an</strong>tor ungelöste Frage war, ob alle irrationalen Zahlen algebraisch s<strong>in</strong>d. Er hat<br />
diese Frage <strong>für</strong> die damalige Zeit recht überraschend gelöst, denn jedes rationale Polynom<br />
n–ten Grades besitzt höchstens n Nullstellen. Ferner gibt es nur abzählbar viele rationale<br />
Polynome, die also <strong>in</strong>sgesamt höchstens abzählbar viele Nullstellen besitzen können. Die<br />
Mächtigkeit <strong>der</strong> Menge £ a <strong>der</strong> algebraischen Zahlen ist also ℵ 0 .<br />
C<strong>an</strong>tor hat aber auch bewiesen, <strong>das</strong>s |£ | = c > ℵ 0 gilt. Aus diesem Grund ist £ t :=<br />
£ \ £ a ≠ ∅, ja es gilt sogar |£ t| = c. Die Elemente von £ t heißen tr<strong>an</strong>szendente Zahlen.
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 101<br />
Z.B. s<strong>in</strong>d π und e tr<strong>an</strong>szendent. Ersteres hat übrigens Ferd<strong>in</strong><strong>an</strong>d L<strong>in</strong>dem<strong>an</strong>n (1852–1939)<br />
im April 1882 bewiesen.<br />
5.4.1. Die mengentheoretische Konstruktion £ von . Das e<strong>in</strong>zige, <strong>das</strong> uns noch<br />
fehlt <strong>in</strong> userer Untersuchung über die reellen Zahlen ist <strong>der</strong> Beweis von Theorem 5.4.4. Wir<br />
werden diesen gesamten Abschnitt da<strong>für</strong> opfern £ und ¢ aus durch mengentheoretische Mech<strong>an</strong>ismen<br />
konstruieren. Zu diesem Zweck werden wir die von Dedek<strong>in</strong>d erfundenen Schnitte<br />
verwenden. Es gibt viele äquivalente Verfahren zur Konstruktion £ von ¢ aus . Die Dedek<strong>in</strong>dschen<br />
Schnitte s<strong>in</strong>d nicht die e<strong>in</strong>leuchtendste Methode aber jedenfalls diejenige, die nur<br />
Mengenoperationen verwendet.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.9. E<strong>in</strong>e nichtleere nach unten beschränkte Teilmenge S ¢ ⊆ heißt Schnitt<br />
¢ (von ), falls<br />
S1: ∀q ∈ ¢ \ S : ∀s ∈ S : s ≥ q, und<br />
S2: ∀s ∈ S : ∃s ′ ∈ S : s > s ′ .<br />
Motivierend k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> erklären, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong> Schnitt e<strong>in</strong> halboffenes Intervall ] a, +∞ ∩¢ [<br />
mit a £ ∈ ist. Noch dürfen wir <strong>das</strong> allerd<strong>in</strong>gs nicht sagen.<br />
Proposition 5.4.10.<br />
(1) Sei S e<strong>in</strong> Schnitt. Es gilt<br />
¢<br />
¢ ¢<br />
∀S ∈ s : ∀q ∈ : (s ≤ q ⇒ q ∈ S).<br />
Ist also e<strong>in</strong>e rationale Zahl größer als e<strong>in</strong> Element des Schnittes, d<strong>an</strong>n liegt sie im<br />
Schnitt.<br />
(2) Zu je<strong>der</strong> positiven rationalen Zahl ε gibt es q, r ∈ mit q ∈ S, r ∈ \ S und<br />
q − r ≤ ε.<br />
Beweis.<br />
(1) Seien s ∈ S und q ∈ mit s ≤ q. Ist q /∈ S, d<strong>an</strong>n liegt natürlich q ∈ \ S und<br />
daher gilt ∀s ′ ∈ S : s ′ ≥ q. Daher ist auch s ≥ q, und weil ≤ e<strong>in</strong>e Ordnungsrelation<br />
ist, folgt s = q. Das ist e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch zu q /∈ S. Daher ist q ∈ S, und wir s<strong>in</strong>d<br />
fertig.<br />
(2) Sei 0 < ε ∈ . Weil S e<strong>in</strong> Schnitt ist, gibt es q ∈ S und r ∈ \ S. Ist q − r ≤ ε,<br />
d<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d wir fertig. An<strong>der</strong>nfalls sei n ∈ so groß, <strong>das</strong>s n > q−r gilt. Solch e<strong>in</strong> n<br />
ε<br />
existiert wegen Proposition 5.3.3. Wir bilden nun die Menge<br />
M := {r + k q−r<br />
n<br />
| k ∈ {0, . . . , n}} ⊆ ¢ .<br />
(¢<br />
(¢<br />
Für q ∈ M ∩ S und r ∈ M ∩ \ S). Es existiert e<strong>in</strong> kle<strong>in</strong>stes Element q m ∈ M ∩ S,<br />
weil M endlich ist. D<strong>an</strong>n ist r m := q m − q−r<br />
n<br />
∈ M ∩ \ S), und wir haben zwei<br />
rationale Zahlen q m und r m wie benötigt gefunden, da q m − r m = q−r<br />
n < ε gilt. □<br />
§¢ ¢ Def<strong>in</strong>ition 5.4.11. Sei R ⊆ die Menge aller Schnitte von . Wir def<strong>in</strong>ieren auf R<br />
die Relation ≤ durch<br />
S ≤ T := S ⊇ T. (5.6)<br />
Proposition 5.4.12. Die Relation ≤ macht R zu e<strong>in</strong>er totalgeordneten Menge.<br />
Beweis. Wir müssen die Ordnungseigenschaften überprüfen. Halbordnung ist eigentlich<br />
klar, da ⊇ e<strong>in</strong>e Halbordnung auf §¢ bildet, doch wir schreiben alles noch e<strong>in</strong>mal auf:<br />
Reflexivität: Es <strong>für</strong> jede Menge S ⊇ S.<br />
Symmetrie: S<strong>in</strong>d S ⊇ T und T ⊇ S erfüllt, so ist S = T .
102 5. ZAHLENMENGEN<br />
Tr<strong>an</strong>sitivität: Seien S ⊇ T und T ⊇ U. Ist u ∈ U, d<strong>an</strong>n ist u ∈ T , und daher gilt<br />
u ∈ S. Das impliziert S ⊇ U.<br />
Es bleibt zu zeigen, <strong>das</strong>s ≤ e<strong>in</strong>e Totalordnung ist. Seien S und T zwei Schnitte und S ≠ T .<br />
Ist S ≰ T , d<strong>an</strong>n ist S T , und daher gibt es e<strong>in</strong> t ∈ T mit t /∈ S. In diesem Fall liegt<br />
t ¢ ∈ \ S, also ist <strong>für</strong> alle s ∈ S die Ungleichung s ≥ t erfüllt. Wegen Proposition 5.4.10.(1)<br />
bedeutet <strong>das</strong> aber s ∈ T , und <strong>das</strong> impliziert S ⊆ T , also S ≥ T . Damit s<strong>in</strong>d je zwei Schnitte<br />
vergleichbar, und ≤ ist e<strong>in</strong>e Totalordnung auf R.<br />
□<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.13. Als nächstes führen wir die Abbildung + : R × R §¢ →<br />
S + T := {s + t | s ∈ S ∧ t ∈ T } <strong>für</strong> S, T ∈ R<br />
durch<br />
e<strong>in</strong>.<br />
Proposition 5.4.14. Diese Abbildung führt sogar wie<strong>der</strong> nach R. Es ist also S + T<br />
wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Schnitt:<br />
Beweis.<br />
• S<strong>in</strong>d s ∈ S und t ∈ T , d<strong>an</strong>n ist s + t ∈ S + T , also ist S + T ≠ ∅.<br />
• Sei σ untere Schr<strong>an</strong>ke von S und τ untere Schr<strong>an</strong>ke von T . Für beliebiges x ∈ S +T<br />
gibt es s ∈ S und t ∈ T mit x = s + t. Aus den Eigenschaften von ≤ ¢ auf folgt<br />
ferner x = s + t ≤ σ + τ. Daher ist S + T nach unten beschränkt.<br />
• Betrachten wir q ¢ ∈ \ (S + T ). Sei s ∈ S gegeben, wir wissen ∀t ∈ T : s + t ≠ q.<br />
Wir formen <strong>das</strong> um zu ∀t ∈ T : t ≠ q − s, und daher ist q − s ¢ ∈ \ T . Weil T e<strong>in</strong><br />
Schnitt ist, folgt ∀t ∈ T : t ≥ q − s. Br<strong>in</strong>gen wir s zurück auf die l<strong>in</strong>ke Seite, ergibt<br />
<strong>das</strong> ∀t ∈ T : s + t ≥ q, darum gilt <strong>für</strong> alle x ∈ S + T , <strong>das</strong>s x ≥ q, also ist Eigenschaft<br />
S1 erfüllt.<br />
• Sei x ∈ S + T beliebig. D<strong>an</strong>n existieren s ∈ S und t ∈ T mit s + t = x. Weil S<br />
und T Schnitte s<strong>in</strong>d, gibt es s ′ ∈ S und t ′ ∈ T mit s > s ′ und t > t ′ . Daher ist<br />
x ′ = s ′ + t ′ ∈ S + T , und es gilt x > x ′ . Das weist Eigenschaft S2 nach.<br />
□<br />
Das beweist, <strong>das</strong>s (R, +) e<strong>in</strong> Gruppoid bildet. Bevor wir die weiteren Eigenschaften nachweisen,<br />
betrachten wir noch e<strong>in</strong> Klasse spezieller Schnitte.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.15. E<strong>in</strong> Schnitt S heißt rational, falls er e<strong>in</strong> Infimum besitzt.<br />
Proposition 5.4.16. E<strong>in</strong> Schnitt S ist genau d<strong>an</strong>n rational, wenn es e<strong>in</strong> q ∈ ¢ gibt mit<br />
S = q := {q ′ ∈ ¢ | q ′ > q}. (5.7)<br />
Beweis. Sei S e<strong>in</strong> Schnitt von <strong>der</strong> Form (5.7). Nun ist q e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von<br />
S, und falls q ′ ¢ ∈ mit q ′ > q, d<strong>an</strong>n ist q ′ ke<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von S. Es ist nämlich<br />
q ′ > 1 2 (q′ + q) > q, und daher 1 2 (q′ + q) ∈ S. Daher ist q <strong>das</strong> Infimum von S und S rational.<br />
Nun sei S e<strong>in</strong> rationaler Schnitt. Es existiert q = <strong>in</strong>f S, und wir def<strong>in</strong>ieren q = {q ′ ∈<br />
| q ′ > q}. Weil q untere Schr<strong>an</strong>ke von S ist, folgt S ⊆ q. Sei nun t ∈ q. Falls t /∈ S<br />
¢<br />
gilt, wissen wir, <strong>das</strong>s ∀s ∈ S : s ≥ t. Daher ist t e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von S mit t > q. Das<br />
wi<strong>der</strong>spricht <strong>der</strong> Infimumseigenschaft von q. Daher ist t ∈ S und S = q. □<br />
Auf diese Weise sehen wir, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> je zwei rationale Zahlen q und r die zugehörigen<br />
rationalen Schnitte q und r genau d<strong>an</strong>n gleich s<strong>in</strong>d, wenn q = r. Die Abbildung ι ¢ : → R<br />
mit ι : q ↦→ q ist also <strong>in</strong>jektiv. Auf diese Weise ¢ wird <strong>in</strong> R e<strong>in</strong>gebettet, und wir können <strong>in</strong><br />
Zukunft die rationale Zahl q mit dem Schnitt q identifizieren.<br />
Proposition 5.4.17. (G, +) ist e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe.<br />
Beweis. Wir weisen sukzessive alle Eigenschaften nach:
AG: Seien S, T und U Schnitte.<br />
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 103<br />
(S + T ) + U = {x + u | x ∈ S + T, u ∈ U} = {(s + t) + u | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} =<br />
= {s + (t + u) | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} = {s + y | s ∈ S, y ∈ T + U} =<br />
= S + (T + U).<br />
KG: Für zwei Schnitte S und T s<strong>in</strong>d die Mengen S + T und T + S gleich, weil die<br />
Addition ¢ <strong>in</strong> kommutativ ist.<br />
Nullelement: Der rationale Schnitt 0 := {q ¢ ∈ | q > 0} = 0 ist <strong>das</strong> Nullelement.<br />
Sei nämlich T e<strong>in</strong> beliebiger Schnitt. D<strong>an</strong>n erhalten wir<br />
0 + T = {s + t | s ∈ 0, t ∈ T }.<br />
Wir müssen nachweisen, <strong>das</strong>s 0 + T = T gilt. Sei x ∈ 0 + T , d<strong>an</strong>n gibt es s ∈ 0 und<br />
t ∈ T mit s + t = x. Wegen s > 0 ist x > t und damit gilt x ∈ T , also 0 + T ⊆ T .<br />
Umgekehrt sei t ∈ T . Weil T e<strong>in</strong> Schnitt ist, gibt es e<strong>in</strong> t ′ ∈ T mit t ′ < t. Setzen<br />
wir nun s = t − t ′ , d<strong>an</strong>n ist s ∈ 0 und t = s + t ′ ∈ S + T , was wie<strong>der</strong>um T ⊆ 0 + T<br />
beweist.<br />
Inverse: Betrachten wir wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>en Schnitt S. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
−S := {q ∈ ¢ | ∀s ∈ S : q > −s ∧ ∀t ∈ ¢ : (t = <strong>in</strong>f S ⇒ q ≠ −t)}<br />
den zu S negativen Schnitt. Wir behaupten S + (−S) = 0. Zuerst müssen wir aber<br />
zeigen, <strong>das</strong>s −S tatsächlich e<strong>in</strong> Schnitt ist.<br />
Sei q ′ e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von S. D<strong>an</strong>n gilt ∀s ∈ S : q = q ′ − 1 < s und deshalb<br />
∀s ∈ S : −q > −s, also ist −S nichtleer. Für e<strong>in</strong> beliebiges Element s ∈ S folgt,<br />
<strong>das</strong>s jedes Element s ′ ∈ −S die Ungleichung s ′ ≥ −s erfüllem muss, also is −s e<strong>in</strong>e<br />
untere Schr<strong>an</strong>ke von −S.<br />
Sei nun q ¢ ∈ \ (−S). D<strong>an</strong>n gibt es s ∈ S mit q ≤ −s, also −q ≥ s. Weil S e<strong>in</strong><br />
Schnitt ist, folgt −q ∈ S. Darum gilt aber ∀t ∈ (−S) : t > q. Das beweist S1.<br />
S2 beweisen wir <strong>in</strong>direkt. Sei q ∈ (−S) gegeben mit ∀t ∈ (−S) : q ≤ t. D<strong>an</strong>n ist<br />
q e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von −S, also e<strong>in</strong> M<strong>in</strong>imum und erst recht e<strong>in</strong> Infimum von<br />
−S. Das ist aber unmöglich wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von −S. Falls ˜s := <strong>in</strong>f S existiert,<br />
d<strong>an</strong>n ist −˜s <strong>das</strong> Supremum <strong>der</strong> Menge ˜S := {−s | s ∈ S}, des Komplements von<br />
−S, und damit <strong>das</strong> Infimum von −S. Nach Def<strong>in</strong>ition ist −˜s /∈ (−S).<br />
Sei x ∈ S + (−S), d<strong>an</strong>n existieren s ∈ S und t ∈ −S mit s + t = x. Dass t ∈ −S<br />
liegt, impliziert t > −s und damit auch x = s + t > 0. Daher ist S + (−S) ⊆ 0. Nun<br />
sei y > 0. Wir suchen gemäß Proposition 5.4.10.(2) zwei rationale Zahlen q und r<br />
mit q ∈ S, r ∈ Q \ S und q − r < y. Es gilt ∀s ∈ S : s > r, und daher ist −r ∈ −S.<br />
Wir def<strong>in</strong>ieren r ′ := q − r und wissen r ′ < y, also y − r ′ > 0. Weil S e<strong>in</strong> Schnitt ist,<br />
bedeutet <strong>das</strong> s := y − r ′ + q ∈ S. Setzen wir nun zusammen, so haben wir −r ∈ −S<br />
und s ∈ S mit<br />
−r + s = −r + y − r ′ + q = −r + y − q + r + q = y.<br />
Das impliziert y ∈ S + (−S) und daher ist 0 = S + (−S).<br />
Die Verträglichkeit von + und ≤, also O1 beweisen wir als nächstes (siehe Def<strong>in</strong>ition<br />
5.3.1).<br />
Proposition 5.4.18. Für je drei Elemente S, T und U von R gilt<br />
S ≤ T =⇒ S + U ≤ T + U.<br />
□
104 5. ZAHLENMENGEN<br />
Beweis. Seien drei Schnitte S, T und U gegeben mit S ≤ T . Sei y ∈ T + U. D<strong>an</strong>n<br />
existieren t ∈ T und u ∈ U mit y = t + u. Weil s ≤ T gilt, wissen wir S ⊇ T und damit<br />
t ∈ S. Daher ist t + u = y auch <strong>in</strong> S + U, was wie<strong>der</strong>um S + U ≤ T + U bestätigt. □<br />
E<strong>in</strong> Schnitt S heißt positiv, falls S > 0 gilt. Er heißt nichtnegativ, falls S ≥ 0 erfüllt<br />
ist. Analog führen wir die Bezeichnungen negativ und nichtpositiv e<strong>in</strong>. Für e<strong>in</strong>en negativen<br />
Schnitt S ist −S positiv. Das folgt aus <strong>der</strong> Verträglichkeit von + und ≤ <strong>in</strong> Proposition 5.4.18.<br />
Es fehlt zum Körper die zweite Operation.<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.19. Wir def<strong>in</strong>ieren die Abbildung · : R × R §¢ → wie folgt: Für zwei<br />
nichtnegative Schnitte S und T sei<br />
S · T := {st | s ∈ S ∧ t ∈ T }.<br />
Darüber h<strong>in</strong>aus erklären wir<br />
⎧<br />
⎪⎨ −((−S) · T ) falls S < 0 und T ≥ 0<br />
S · T := −(S · (−T )) falls S ≥ 0 und T < 0<br />
⎪⎩<br />
(−S) · (−T ) falls S < 0 und T < 0.<br />
Wegen <strong>der</strong> Bemerkungen vor <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition ist die Abbildung · wohldef<strong>in</strong>iert.<br />
Proposition 5.4.20. Die Abbildung · ist e<strong>in</strong>e Verknüpfung auf R. Es gilt (R, +, ·) ist<br />
e<strong>in</strong> Körper.<br />
Beweis. Zuerst müssen wir beweisen, <strong>das</strong>s <strong>für</strong> nichtnegative Schnitte S und T die Menge<br />
S · T wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Schnitt ist. Es existiert s ∈ S und t ∈ T , daher ist st ∈ S · T , welches somit<br />
nichtleer ist.<br />
Weil S und T nichtnegativ s<strong>in</strong>d, folgt 0 ⊇ S und 0 ⊇ T , und daher ist 0 ¢ ∈ untere<br />
Schr<strong>an</strong>ke von S und T . Wir erhalten ∀s ∈ S : 0 ≤ s und ∀t ∈ T : 0 ≤ t. Wegen Proposition<br />
5.3.2.(2) gilt ∀s ∈ S : ∀t ∈ T : 0 ≤ st, und daher ist S · T nach unten beschränkt.<br />
Sei q ¢ ∈ \ (S · T ). Ist s ∈ S beliebig, d<strong>an</strong>n gilt ∀t ∈ T : st ≠ q, und daher haben wir<br />
wegen s > 0 auch ∀t ∈ T : t ≠ q/s. Das wie<strong>der</strong>um bed<strong>in</strong>gt, <strong>das</strong>s q/s ¢ ∈ \ T liegt, weshalb<br />
∀t ∈ T : t ≥ q/s. Umgeformt bedeutet <strong>das</strong> ∀t ∈ T : ts ≥ q, was S1 impliziert.<br />
Für y ∈ S · T existieren s ∈ S und t ∈ T mit y = st. Ferner gibt es s ′ ∈ S mit s ′ < s<br />
und t ′ ∈ T mit t ′ < t. Weil alle Zahlen s, s ′ , t, t ′ größer Null s<strong>in</strong>d, folgt aus Proposition 5.3.2<br />
s ′ t ′ < st, woraus S2 folgt.<br />
Für nichtnegative Schnitte ist <strong>das</strong> Produkt also wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Schnitt. In den <strong>an</strong><strong>der</strong>en Fällen<br />
wird die Def<strong>in</strong>ition auf e<strong>in</strong> Produkt nichtnegativer Schnitte zurückgeführt, und daher ist ·<br />
tatsächlich e<strong>in</strong>e Verknüpfung auf R.<br />
Wir wissen bereits, <strong>das</strong>s (R, +) e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ist. Der Rest <strong>der</strong> Körperaxiome<br />
muss noch nachgewiesen werden. Beg<strong>in</strong>nen wir mit den Aussagen über die Multiplikation,<br />
doch zuvor wollen wir noch e<strong>in</strong> Hilfsresultat über positive Schnitte beweisen.<br />
Lemma: Sei S e<strong>in</strong> positiver Schnitt. Es gibt e<strong>in</strong> q > 0 ¢ <strong>in</strong> , <strong>das</strong> untere Schr<strong>an</strong>ke von S ist.<br />
Beweis: Wegen S > 0 folgt, <strong>das</strong>s 0 S gilt, und daher existiert e<strong>in</strong> q ∈ 0 mit q /∈ S, also<br />
q ¢ ∈ \ S. Es gilt 0 < q, weil q ∈ 0 und ∀s ∈ S : q ≤ S, wegen S1. □<br />
AG: Das Assoziativgesetz <strong>für</strong> positive Schnitte folgt direkt aus dem Assoziativgesetz<br />
<strong>für</strong> die Multiplikation rationaler Zahlen. Seien S, T und U nichtnegative Schnitte.<br />
(S · T ) · U = {xu | x ∈ S · T, u ∈ U} = {(st)u | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} =<br />
= {s(tu) | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} = {sy | s ∈ S, y ∈ T · U} =<br />
= S · (T · U).<br />
Seien nun S, T und U beliebig. Mit e<strong>in</strong>er Anzahl e<strong>in</strong>facher Fallunterscheidungen<br />
k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> <strong>das</strong> Assoziativgesetz auf den positiven Fall zurückführen. Sei etwa S < 0,
T ≥ 0 und U ≥ 0. D<strong>an</strong>n folgt<br />
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 105<br />
(S · T ) · U = −((−S) · T ) · U = −(((−S) · T ) · U) = −((−S) · (T · U)) =<br />
= −(−S) · (T · U) = S · (T · U).<br />
All die <strong>an</strong><strong>der</strong>en sechs Fälle beweist m<strong>an</strong> <strong>an</strong>alog.<br />
KG: Auch die Kommutativität <strong>für</strong> nichtnegative Schnitte folgt aus <strong>der</strong> Kommutativität<br />
<strong>der</strong> ¢<br />
Multiplikation <strong>in</strong> . Für beliebige Schnitte folgt sie aus <strong>der</strong> Symmetrie von<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.4.19.<br />
E<strong>in</strong>selement: Wir def<strong>in</strong>ieren 1 := 1 = ¢ {x ∈ | x > 1} und behaupten, <strong>das</strong>s 1<br />
<strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement bezüglich <strong>der</strong> Multiplikation ist. Es gilt 1 ≠ 0, und wir betrachten<br />
e<strong>in</strong>en nichtnegativen Schnitt S. Für s ∈ 1 · S gibt es t ∈ 1 und s ′ ∈ S mit s = ts ′ .<br />
Weil t > 1 ist, folgt aus Proposition 5.3.2, <strong>das</strong>s s > s ′ und damit auch s ∈ S gilt.<br />
Daher ist 1 · S ⊆ S.<br />
Sei nun umgekehrt s ∈ S gegeben. Wir können s ′ ∈ S f<strong>in</strong>den mit 0 < s ′ < s,<br />
weil S e<strong>in</strong> nichtnegativer Schnitt ist. Aus Proposition 5.3.2 folgt, <strong>das</strong>s t = s > 1<br />
s ′<br />
ist, also t ∈ 1, und außerdem wissen wir ts ′ = s. Daher ist auch S ⊆ 1 · S.<br />
Für negatives S gilt 1 · S = −(1 · (−S)) = −(−S) = S.<br />
Inverse: Sei S e<strong>in</strong> positiver Schnitt. Wir def<strong>in</strong>ieren<br />
S −1 := {q ∈ ¢ | ∀s ∈ S : q > 1 s ∧ ∀t ∈ ¢ : (t = <strong>in</strong>f S ⇒ q ≠ 1 t )}<br />
und behaupten <strong>das</strong> multiplikative Inverse zu S gefunden zu haben.<br />
Zuerst müssen wir beweisen, <strong>das</strong>s S −1 e<strong>in</strong> Schnitt ist. Wegen des Lemmas existiert<br />
e<strong>in</strong>e positiver rationale Zahl q ′ , die untere Schr<strong>an</strong>ke von S ist. Die Zahl q = q′<br />
2<br />
erfüllt d<strong>an</strong>n <strong>für</strong> alle s ∈ S, <strong>das</strong>s s > q und daher 1 < 1, also ist 1 ∈ s q q S−1 .<br />
Sei ¢ q ∈ \ S −1 . O.b.d.A. gilt q > 0, denn alle Elemente von S −1 s<strong>in</strong>d positiv.<br />
Es folgt, <strong>das</strong>s es e<strong>in</strong> s ∈ S gibt, <strong>für</strong> <strong>das</strong> q ≤ 1 erfüllt ist. Aus den Eigenschaften<br />
s<br />
<strong>der</strong> Ordnungsrelationen folgt aber d<strong>an</strong>n 1 ≥ s, und daher ist 1 ∈ S. Daher gilt<br />
q q<br />
∀t ∈ S −1 : t > q. Das zeigt S1.<br />
S2 folgt wie<strong>der</strong> aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von S −1 . Ist q ∈ S −1 gegeben mit ∀s ∈ S −1 :<br />
q ≤ s, d<strong>an</strong>n ist q M<strong>in</strong>imum also Infimum von S −1 . Aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von S −1 k<strong>an</strong>n<br />
m<strong>an</strong> aber ablesen, <strong>das</strong>s S −1 se<strong>in</strong> (eventuell existierendes) Infimum nicht enthalten<br />
darf.<br />
Nachdem wir jetzt gezeigt haben, <strong>das</strong>s S −1 tatsächlich e<strong>in</strong> Schnitt ist, müssen<br />
wir beweisen, <strong>das</strong>s S −1 <strong>das</strong> Inverse von S ist. Sei also q ∈ S · S −1 . D<strong>an</strong>n existieren<br />
s ∈ S und t ∈ S −1 mit st = q. Weil t ∈ S −1 folgt, <strong>das</strong>s t > 1 , und daher ist st > 1,<br />
s<br />
woraus S · S −1 ⊆ 1 folgt.<br />
Sei umgekehrt y ∈ 1 gegeben. Wir def<strong>in</strong>ieren ε = y − 1 > 0 und wählen uns<br />
gemäß dem Lemma e<strong>in</strong>e positive untere Schr<strong>an</strong>ke r ′ von S. Außerdem können wir<br />
wegen Proposition 5.4.10.(1) zwei rationale Zahlen ˜r und s mit ¢ r ∈ \ S und s ∈ S<br />
und s − ˜r < r ′ ε f<strong>in</strong>den. Sei r = max{˜r, r ′ }. D<strong>an</strong>n ist immer noch ¢ r ∈ \ S und<br />
s − r < r ′ ε. Für r und s gilt darüber h<strong>in</strong>aus noch<br />
s<br />
− 1 < r′ ε<br />
s<br />
< ε also < 1 + ε = y.<br />
r r r<br />
Wir def<strong>in</strong>ieren t := yr > 1. D<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d s < st =: s<br />
s′ ∈ S und 1 ∈ r S−1 und weiters<br />
s ′ 1 r = st<br />
r<br />
= yrs<br />
rs = y,<br />
also ist y ∈ S · S −1 , und <strong>das</strong> impliziert S · S −1 = 1.<br />
Ist S negativ, d<strong>an</strong>n def<strong>in</strong>ieren wir S −1 := −((−S) −1 ), und wir haben<br />
S · S −1 = (−S) · (−S −1 ) = (−S) · (−S) −1 = 1.
106 5. ZAHLENMENGEN<br />
Zu guter letzt fehlt noch <strong>das</strong> Distributivgesetz. Wir beg<strong>in</strong>nen wie<strong>der</strong> mit nichtnegativen<br />
Schnitten S, T und U. Wegen <strong>der</strong> Distributivität ¢ <strong>in</strong> gilt<br />
(S + T ) · U = {xu | x ∈ S + T, u ∈ U} = {(s + t)u | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} =<br />
= {su + tu | s ∈ S, t ∈ T, u ∈ U} = {y + z | y ∈ S · U, z ∈ T · U} =<br />
= S · U + T · U.<br />
Für die sieben übrigen Fälle sei als Beispiel e<strong>in</strong>er bewiesen: Mit U < 0 und S ≥ 0 und T ≥ 0<br />
gilt<br />
(S + T ) · U = −((S + T ) · (−U)) = −(S · (−U) + T · (−U)) =<br />
Das beweist, <strong>das</strong>s (R, +, ·) e<strong>in</strong> Körper ist.<br />
= −(S · (−U)) + (−(T · (−U))) = S · U + T · U.<br />
Proposition 5.4.21. Der Körper (R, +, ·) ist geordnet bezüglich ≤.<br />
Beweis. Es genügt O2 zu beweisen, denn O1 haben wir <strong>in</strong> Proposition 5.4.18 bereits<br />
nachgewiesen. Seien also S > 0 und T > 0. D<strong>an</strong>n gibt es positive untere Schr<strong>an</strong>ken s von S<br />
und t von T , und daher ist st > 0 e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von S ·T . Das impliziert S ·T > 0. □<br />
Nachdem wir nachgewiesen haben, <strong>das</strong>s die Menge aller Schnitte R e<strong>in</strong>en geordneten<br />
Körper bildet, bleibt noch die letzte Eigenschaft nachzuweisen.<br />
Proposition 5.4.22. Der geordnete Körper (R, +, ·, ≤) ist ordnungsvollständig.<br />
Beweis. Sei E e<strong>in</strong>e nach unten beschränkte Teilmenge von R. Sei Q ∈ R e<strong>in</strong>e untere<br />
Schr<strong>an</strong>ke von E, und sei α ¢ ∈ untere Schr<strong>an</strong>ke von Q.<br />
Wir betrachten die Menge<br />
S := ⋃<br />
T,<br />
T ∈E<br />
die Vere<strong>in</strong>igung aller Elemente von E.<br />
Wir zeigen zuerst, <strong>das</strong>s S e<strong>in</strong> Schnitt ist. Es ist klar, <strong>das</strong>s S nichtleer ist, denn jedes<br />
T ∈ E ist nichtleer. Außerdem ist α untere Schr<strong>an</strong>ke von jedem T ∈ E (weil T ⊆ Q), und<br />
daher auch untere Schr<strong>an</strong>ke <strong>der</strong> Vere<strong>in</strong>igung.<br />
Nun wählen wir e<strong>in</strong> q ¢ ∈ \ S. Für dieses Element gilt, <strong>das</strong>s ∀T ∈ E : q /∈ T , also<br />
∀T ∈ E : q ¢ ∈ \ T . Für e<strong>in</strong> beliebiges s ∈ S gilt nun, <strong>das</strong>s ∃T ∈ E : s ∈ T , und daher muss<br />
q ≤ s se<strong>in</strong>, was S1 beweist.<br />
Schließlich gilt S2, weil <strong>für</strong> beliebiges s ∈ S wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong> T ∈ E existiert mit s ∈ T . Da T<br />
e<strong>in</strong> Schnitt ist, gibt es e<strong>in</strong> s ′ ∈ T , so<strong>das</strong>s s ′ < s gilt. Nun ist aber s ′ <strong>in</strong> <strong>der</strong> Vere<strong>in</strong>igung aller<br />
T , also s ′ ∈ S.<br />
Wir beschließen den Beweis mit <strong>der</strong> Behauptung, <strong>das</strong>s S = <strong>in</strong>f E gilt. Offensichtlich ist<br />
S untere Schr<strong>an</strong>ke von E, da S ⊇ T <strong>für</strong> alle T ∈ E erfüllt ist. Sei nun U ∈ R e<strong>in</strong> Schnitt<br />
mit U > S. D<strong>an</strong>n ist S U, und daher existiert e<strong>in</strong> s ∈ S mit s /∈ U. Nun muss es aber e<strong>in</strong><br />
T ∈ E geben mit s ∈ T , woraus folgt, <strong>das</strong>s U T gilt, also ist U ke<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von<br />
E. Daher stimmt tatsächlich S = <strong>in</strong>f E und R ist ordnungsvollständig. □<br />
Lemma 5.4.23. Sei (S, +, ·, ≤) e<strong>in</strong> ordnungsvollständiger geordneter Körper mit geordnetem<br />
¢<br />
Unterkörper . D<strong>an</strong>n ist jedes Element b ∈ S <strong>das</strong> Infimum <strong>der</strong> Menge<br />
b := {s ¢ ∈ : b < s}.<br />
Beweis. Die Menge b ist durch b nach unten beschränkt, und daher existiert <strong>das</strong> Infimum<br />
<strong>in</strong>f <br />
b =: b ′ ∈ S. Angenommen, es gilt b ′ > b. Aus Proposition 5.4.6, <strong>für</strong> <strong>der</strong>en Beweis<br />
wir nur die Eigenschaften geordneter Körper und Ordnungsvollständigkeit verwendet haben,<br />
<br />
□
5.4. DIE REELLEN ZAHLEN 107<br />
<br />
¢ folgt, <strong>das</strong>s es e<strong>in</strong> q ∈ gibt mit b < q < b ′ . D<strong>an</strong>n ist aber q ∈ b, und daher ist b ′ ke<strong>in</strong>e<br />
untere Schr<strong>an</strong>ke von b. Das ist e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch, also ist b ′ = b. □<br />
Proposition 5.4.24. Sei (S, +, ·, ≤) e<strong>in</strong> weiterer ordnungsvollständiger geordneter Körper,<br />
¢ <strong>der</strong> als geordneten Unterkörper enthält, d<strong>an</strong>n s<strong>in</strong>d S und R isomorph.<br />
<br />
¢ ¢ ¢ ¢<br />
Beweis. Die Abbildung f : S → R gegeben durch f : s ↦→ s ist e<strong>in</strong> monotoner<br />
Körperisomorphismus.<br />
Zunächst ist f wohldef<strong>in</strong>iert, denn jedes s ist e<strong>in</strong> Schnitt von : Dass s nichtleer<br />
ist, folgt aus <strong>der</strong> Unbeschränktheit von <strong>in</strong> S. Weil s e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von s ist,<br />
existiert auch e<strong>in</strong>e rationale Zahl ˜s < s, die untere Schr<strong>an</strong>ke von s ist. Gilt q ∈ \ s,<br />
d<strong>an</strong>n muss q ≤ s se<strong>in</strong> wegen <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von s. Daher ist q ebenfalls untere Schr<strong>an</strong>ke<br />
von s, was S1 beweist. Ist schließlich r ∈ s e<strong>in</strong>e rationale Zahl, d<strong>an</strong>n können wir wie<strong>der</strong><br />
Proposition 5.4.6 verwenden, um e<strong>in</strong>e rationale Zahl r ′ zu erhalten, mit s < r ′ < r, also<br />
r ′ ∈ s, gleichbedeutend mit <strong>der</strong> Gültigkeit von S2.<br />
Zuerst zeigen wir die Injektivität von f. Seien s ≠ s ′ zwei Elemente von S. O.B.d.A.<br />
ist s > s ′ . D<strong>an</strong>n gilt s s ′, weil es e<strong>in</strong>e rationale Zahl zwischen s und s′ gibt (wie<strong>der</strong><br />
Proposition 5.4.6). Daher ist f(s) ≠ f(s ′ ).<br />
Die Abbildung f ist surjektiv. Ist T e<strong>in</strong> beliebiger Schnitt von , d<strong>an</strong>n ist T ⊆ S nichtleer<br />
und nach unten beschränkt, besitzt also e<strong>in</strong> Infimum s ∈ S. Sei t ∈ T , d<strong>an</strong>n gilt t > s, weil<br />
wegen <strong>der</strong> Schnitteigenschaft S2 die Menge T ihr Infimum nicht enthält. Daher ist t ∈ s. Sei<br />
umgekehrt t ∈ s und damit t > s. Ist t /∈ T , d<strong>an</strong>n folgt aus <strong>der</strong> Schnitteigenschaft S1, <strong>das</strong>s<br />
∀t ′ ∈ T : t ≤ t ′ , also ist t e<strong>in</strong>e untere Schr<strong>an</strong>ke von T mit t > s, was <strong>der</strong> Infimumseigenschaft<br />
von s wi<strong>der</strong>spricht. Darum gilt T = s = f(s).<br />
Es bleibt zu zeigen, <strong>das</strong>s f e<strong>in</strong> Körperhomomorphismus ist.<br />
• Seien s, t ∈ S. D<strong>an</strong>n ist f(s) + f(t) = s + t. Es gilt<br />
• Für s ∈ S folgt<br />
s + t = {s ′ + t ′ | s ′ ∈ s, t ′ ∈ t} = {s ′ + t ′ | s ′ > s ∧ t ′ > t} =<br />
= {s ′ + t ′ | s ′ + t ′ > s + t} = s+t = f(s + t).<br />
−f(s) = − s = {s ′ ∈ ¢ | ∀t ∈ s : s ′ > −t ∧ ∀t ′ ∈ ¢ : (t ′ = <strong>in</strong>f s ⇒ s ′ ≠ −t ′ )} =<br />
= {s ′ ∈ ¢ | s ′ > −s} = −s = f(−s).<br />
• S<strong>in</strong>d wie<strong>der</strong> s, t ∈ S. D<strong>an</strong>n folgt <strong>für</strong> s ≥ 0 und t ≥ 0, <strong>das</strong>s<br />
s · <br />
t = {s ′ t ′ | s ′ ∈ s, t ′ ∈ t} = {s ′ t ′ | s ′ > s ∧ t ′ > t} =<br />
= {s ′ t ′ | s ′ t ′ > st} = st = f(st).<br />
Falls s < 0 ist und t ≥ 0 gilt, ist st = −((−s)t) und aus dem bereits Bewiesenen<br />
folgt<br />
f(st) = f(−((−s)t)) = −f((−s)t) = −(f(−s)f(t)) = −(−(f(s))f(t)) = f(s)f(t).<br />
Der letzte Fall s < 0, t < 0 ist e<strong>in</strong>facher:<br />
f(st) = f((−s)(−t)) = f(−s)f(−t) = (−f(s))(−f(t)) = f(s)f(t).<br />
• Zuletzt sei wie<strong>der</strong> s ∈ S mit s > 0.<br />
f(s) −1 −1<br />
= s = {s ′ ∈ | ∀t ∈ s : s ′ > 1 ∧ ∀t ′ ∈ : (t ′ = <strong>in</strong>f <br />
¢ ¢<br />
t s ⇒ s ′ ≠ 1 )} =<br />
t ′<br />
= {s ′ ∈ | s ′ > 1} = ¢<br />
s s −1 = f(s−1 ).<br />
Ist h<strong>in</strong>gegen s < 0, d<strong>an</strong>n erhalten wir<br />
f(s −1 ) = f(−((−s) −1 )) = −f((−s) −1 ) = −(f(−s) −1 ) = (−f(−s)) −1 = f(s) −1 .
108 5. ZAHLENMENGEN<br />
Daher ist f e<strong>in</strong> Körperisomorphismus, und tatsächlich s<strong>in</strong>d S und R isomorph.<br />
□<br />
Ab nun bezeichnen wir den bis auf Isomorphie e<strong>in</strong>deutig bestimmten ordnungsvollständigen<br />
geordneten Körper R £ mit und nennen ihn die Menge <strong>der</strong> reellen Zahlen.<br />
5.5. Die komplexen Zahlen ¤<br />
Kommen wir nun zu e<strong>in</strong>er Zahlenmenge, die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schule oft vernachlässigt wird, und<br />
die darüber h<strong>in</strong>aus e<strong>in</strong>ige philosophische Fragen aufzuwerfen sche<strong>in</strong>t.<br />
Wir er<strong>in</strong>nern uns, <strong>das</strong>s die Geschichte <strong>der</strong> Algebra mit Büchern begonnen hat, <strong>in</strong> denen<br />
unter <strong>an</strong><strong>der</strong>em die Lösung l<strong>in</strong>earer und quadratischer Gleichungen beschrieben wurde. Begonnen<br />
hat <strong>das</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Zeit als nur die positiven rationalen Zahlen bek<strong>an</strong>nt waren. Bereits<br />
die Lösung <strong>der</strong> quadratischen Gleichung<br />
x 2 = 0 (5.8)<br />
bereitet da Schwierigkeiten. Gegen Ende 14. Jahrhun<strong>der</strong>ts setzte sich <strong>in</strong> Europa die 0 als<br />
eigenständige Zahl durch, doch die alte Welt musste e<strong>in</strong> weiteres Jahrhun<strong>der</strong>t warten bis<br />
auch die negativen Zahlen akzeptiert waren. Von diesem Zeitpunkt <strong>an</strong> war Gleichung (5.8)<br />
lösbar, ebenso wie<br />
x 2 + 3x + 2. (5.9)<br />
Die Tatsache, <strong>das</strong>s die rationalen Zahlen nicht genügen, ist seit Hippasos von Metapont<br />
(5. Jahrhun<strong>der</strong>t v.Chr.) bek<strong>an</strong>nt, <strong>der</strong> die Irrationalität von √ 2 als Diagonallänge des E<strong>in</strong>heitsquadrates<br />
erk<strong>an</strong>nte. (Da<strong>für</strong> wurde er übrigens, sagt die Geschichte, von e<strong>in</strong>er Gruppe<br />
Pythagoreer im Meer ertränkt). Die Polynomgleichung<br />
x 2 = 2, (5.10)<br />
die aus dem Satz von Pythagoras folgt, ist also <strong>in</strong> den rationalen Zahlen nicht lösbar.<br />
Daher wurde <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik schon früh auf die reellen Zahlen zurückgegriffen, allerd<strong>in</strong>gs<br />
ohne e<strong>in</strong>e wirkliche Def<strong>in</strong>ition als Zahlenmenge <strong>an</strong>zugeben. Das haben erst C<strong>an</strong>tor<br />
und Dedek<strong>in</strong>d im Jahre 1871 auf äquivalente aber unterschiedliche Weise get<strong>an</strong>.<br />
Ist nun aber jede quadratische Gleichung lösbar? Die Antwort ist, wie wir alle wissen,<br />
ne<strong>in</strong>. Die Gleichung<br />
x 2 + 1 = 0 (5.11)<br />
hat ke<strong>in</strong>e reelle Lösung.<br />
Die komplexen Zahlen wurden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mathematik schon e<strong>in</strong>ige Zeit verwendet, allerd<strong>in</strong>gs<br />
ohne richtige Def<strong>in</strong>ition. So ist bek<strong>an</strong>nt, <strong>das</strong>s Girolamo Card<strong>an</strong>o (1501–1576) während er<br />
die Formeln <strong>für</strong> die Nullstellen von Polynomen dritten und vierten Grades erarbeitete, die<br />
komplexen Zahlen vor Augen hatte. Er verwarf sie allerd<strong>in</strong>gs wie<strong>der</strong> als ”<br />
zu subtil und daher<br />
nutzlos“.<br />
Auch Leonhard Euler (1707–1783) k<strong>an</strong>nte bereits die komplexen Zahlen. Er führte 1748<br />
auch die ”<br />
Zahl“ i als Bezeichnung e<strong>in</strong> <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er berühmten Arbeit ”<br />
Introductio <strong>in</strong> <strong>an</strong>alys<strong>in</strong><br />
<strong>in</strong>f<strong>in</strong>itorum“, wo auch die Formel<br />
e ix = cos x + i s<strong>in</strong> x<br />
<strong>das</strong> erste Mal auftaucht.<br />
Der erste jedoch, <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e <strong>mathematische</strong> Arbeit über die komplexen Zahlen verfasst hat,<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong>selben (die reellen Zahlen vorausgesetzt) vorkommt, war Caspar<br />
Wessel (1745–1818). Er hat 1799 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Königlich Dänischen Akademie se<strong>in</strong>e Arbeit veröffentlicht<br />
(übrigens als erstes Nichtmitglied, und es war se<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>zige(!) <strong>mathematische</strong> Arbeit),<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> er die geometrische Interpretation <strong>der</strong> komplexen Zahlen vorstellte. Er entwickelte<br />
diese Zahlen übrigens während er Oldenburg trigonometrisch vermaß (tri<strong>an</strong>gulierte), und es
5.5. DIE KOMPLEXEN ZAHLEN 109<br />
ist sicher, <strong>das</strong>s er bereits 1787 die komplexen Zahlen entwickelt hatte (unwissend, <strong>das</strong>s solche<br />
Zahlen bereits <strong>in</strong> Verwendung waren). Mit Hilfe dieser brilli<strong>an</strong>ten <strong>mathematische</strong>n Idee<br />
gel<strong>an</strong>g es ihm als erstem, e<strong>in</strong>e genaue L<strong>an</strong>dkarte Dänemarks herzustellen.<br />
Lei<strong>der</strong> wurde se<strong>in</strong>e Arbeit <strong>in</strong> Mathematikerkreisen nicht gelesen, und so wurde im Jahr<br />
1806 die geometrische Interpretation von dem Schweizer Je<strong>an</strong> Robert Arg<strong>an</strong>d (1768–1822)<br />
wie<strong>der</strong>entdeckt und erneut neuentwickelt von Joh<strong>an</strong>n Carl Friedrich Gauss (1777–1855) im<br />
Jahre 1831, <strong>der</strong> übrigens <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>terweise e<strong>in</strong>e weitere Arbeit von Wessel, nämlich die<br />
Tri<strong>an</strong>gulierung von Oldenburg im Jahr 1824 wie<strong>der</strong>holte.<br />
Was s<strong>in</strong>d also diese ”<br />
mystischen“ komplexen Zahlen, die die Mathematiker so l<strong>an</strong>ge<br />
<strong>in</strong> Atem gehalten haben? Als mo<strong>der</strong>ne Mathematiker mit geschultem algebraischem Blick<br />
können wir den Zahlen den Mythos nehmen.<br />
Wir beg<strong>in</strong>nen mit <strong>der</strong> Menge ¤ = £ × £ und def<strong>in</strong>ieren auf ihr zwei Verknüpfungen<br />
(a 0 , a 1 ) + (b 0 , b 1 ) := (a 0 + b 0 , a 1 + b 1 )<br />
(a 0 , a 1 ) · (b 0 , b 1 ) := (a 0 b 0 − a 1 b 1 , a 0 b 1 + a 1 b 0 ).<br />
Zuerst untersuchen wir die algebraischen Eigenschaften von (¤ , +, ·):<br />
Theorem (¤ 5.5.1. , +, ·) ist e<strong>in</strong> Körper.<br />
Beweis. Um dieses Theorem zu beweisen, müssen wir die Körperaxiome nachrechnen.<br />
AG(+): Das folgt aus <strong>der</strong> komponentenweisen Def<strong>in</strong>ition von + und <strong>der</strong> Tatsache,<br />
(£ <strong>das</strong>s , +) e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ist.<br />
KG(+): Hier trifft <strong>das</strong>selbe Argument zu wie <strong>für</strong> <strong>das</strong> Assoziativgesetz.<br />
Nullelement: Es gilt, <strong>das</strong>s (0, 0) <strong>das</strong> neutrale Element bezüglich + ist. (a 0 , a 1 ) +<br />
(0, 0) = (a 0 + 0, a 1 + 0) = (a 0 , a 1 ).<br />
Inverse(+): Das Inverse zu (a 0 , a 1 ) ist (−a 0 , −a 1 ), wie m<strong>an</strong> sehr leicht nachrechnet.<br />
AG(·): Seien (a 0 , a 1 ), (b 0 , b 1 ) und (c 0 , c 1 ) gegeben. D<strong>an</strong>n gilt<br />
(a 0 , a 1 ) ( (b 0 , b 1 )(c 0 , c 1 ) ) = (a 0 , a 1 )(b 0 c 0 − b 1 c 1 , b 0 c 1 + b 1 c 0 ) =<br />
= (a 0 b 0 c 0 − a 0 b 1 c 1 − a 1 b 0 c 1 − a 1 b 1 c 0 , a 0 b 0 c 1 + a 0 b 1 c 0 + a 1 b 0 c 0 − a 1 b 1 c 1 ) =<br />
= (a 0 b 0 − a 1 b 1 , a 0 b 1 + a 1 b 0 )(c 0 , c 1 ) =<br />
= ( (a 0 , a 1 )(b 0 , b 1 ) ) (c 0 , c 1 ).<br />
KG(·): Dieses Gesetz folgt aus <strong>der</strong> Symmetrie <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von · und dem Kommutativgesetz<br />
(£ <strong>in</strong> , ·).<br />
E<strong>in</strong>selement: Das E<strong>in</strong>selement ist (1, 0), e<strong>in</strong>e sehr e<strong>in</strong>fache Rechnung.<br />
Inverse(·): Ist (a 0 , a 1 ) ≠ (0, 0), d<strong>an</strong>n ist <strong>das</strong> Element ( a 0<br />
a 2 0 +a2 1<br />
,<br />
−a 1<br />
a 2 0 +a2 1<br />
) <strong>das</strong> Inverse zu<br />
(a 0 , a 1 ). Es ist wohldef<strong>in</strong>iert, weil <strong>für</strong> reelle Zahlen a 0 und a 1 <strong>der</strong> Nenner a 2 0 + a 2 1<br />
nur d<strong>an</strong>n verschw<strong>in</strong>den k<strong>an</strong>n, wenn beide Zahlen gleich 0 s<strong>in</strong>d. Das haben wir aber<br />
ausgeschlossen. Es gilt<br />
(a 0 , a 1 )<br />
(<br />
a0<br />
,<br />
a 2 0 + a 2 1<br />
) (<br />
−a 1 a<br />
2<br />
= 0 + a 2 1<br />
a 2 0 + a 2 1<br />
, −a 0a 1 + a 1 a 0<br />
a 2 0 + a 2 1 a 2 0 + a 2 1<br />
)<br />
= (1, 0).<br />
Die reellen Zahlen s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> Unterkörper ¤ von , wie m<strong>an</strong> leicht sieht, <strong>in</strong>dem m<strong>an</strong> die<br />
Abbildung ι £ : ¤ → mit ι : r ↦→ (r, 0) betrachtet. Sehr e<strong>in</strong>fache Rechnungen genügen,<br />
um (r, 0) + (s, 0) = (r + s, 0) und (r, 0)(s, 0) = (rs, 0) nachzuweisen und weiters −(r, 0) =<br />
(−r, 0) sowie (r, 0) −1 = ( 1 , 0) zu zeigen. In Zukunft werden wir also die reellen Zahlen mit<br />
r<br />
den komplexen Elementen (r, 0) identifizieren und im weiteren wie<strong>der</strong> r <strong>für</strong> diese Zahlen<br />
schreiben. Außerdem sehen wir, <strong>das</strong>s (r, 0)(a 0 , a 1 ) = (ra 0 , ra 1 ) gilt.<br />
□
110 5. ZAHLENMENGEN<br />
Interess<strong>an</strong>t wird es, wenn m<strong>an</strong> die Eigenschaften <strong>an</strong><strong>der</strong>er Elemente betrachtet:<br />
(0, 1)(0, 1) = (−1, 0),<br />
und damit f<strong>in</strong>den wir ¤ <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Nullstelle des Polynoms x 2 + 1. Um die Schreibweise zu<br />
vere<strong>in</strong>fachen, führen wir e<strong>in</strong>e Abkürzung <strong>für</strong> (0, 1) e<strong>in</strong>, <strong>in</strong>dem wir sagen<br />
Def<strong>in</strong>ition 5.5.2. Es gelte die Bezeichnung<br />
Wir nennen i die imag<strong>in</strong>äre E<strong>in</strong>heit.<br />
i := (0, 1).<br />
Wir haben schon nachgerechnet, <strong>das</strong>s i 2 = −1 gilt, und es folgt aus <strong>der</strong> Struktur von<br />
¤ = £ × £ und <strong>der</strong> komponentenweisen Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> Addition, <strong>das</strong>s sich jedes Element<br />
(a 0 , a 1 ) von ¤ e<strong>in</strong>deutig schreiben lässt als (a 0 , a 1 ) = (a 0 , 0) + a 1 (0, 1) o<strong>der</strong> mit Hilfe <strong>der</strong><br />
Abkürzungen als (a 0 , a 1 ) = a 0 + ia 1 .<br />
Damit gew<strong>in</strong>nen wir Eulers Schreibweise <strong>für</strong> die komplexen Zahlen zurück. Mythisches<br />
o<strong>der</strong> Philosophisches haben wir dazu nicht benötigt.<br />
In <strong>der</strong> Mathematik bezeichnet m<strong>an</strong> die komplexe Variable üblicherweise mit z und die<br />
Komponenten mit z = x + iy. Wir nennen x =: Rz = Re z den Realteil von z und<br />
y =: Iz = Im z den Imag<strong>in</strong>ärteil von z.<br />
Die komplexen Zahlen lassen sich als Elemente £ von £ × £ = 2 klarerweise auch als<br />
Punkte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ebene deuten. Das führt auf die Def<strong>in</strong>ition von Wessel, Arg<strong>an</strong>d und Gauss.<br />
Auch die Polarkoord<strong>in</strong>atenrepräsentation durch Länge und W<strong>in</strong>kel ist auf diese geometrische<br />
Interpretation zurückzuführen, siehe Abbildung 5.1:<br />
I<br />
ϕ<br />
r<br />
x<br />
z<br />
y<br />
R<br />
Abbildung 5.1. Die komplexe Ebene<br />
Bemerkung 5.5.3. Es gilt z = (x, y) = (r, ϕ) mit r = √ x 2 + y 2 und ϕ = arct<strong>an</strong>(y/x)<br />
<strong>für</strong> (x, y) ≠ (0, 0).<br />
Umgekehrt haben wir x = r cos ϕ und y = r s<strong>in</strong> ϕ.
5.5. DIE KOMPLEXEN ZAHLEN 111<br />
Die so def<strong>in</strong>ierte Länge <strong>der</strong> komplexen Zahl liefert auch den Betrag<br />
|x + iy| = √ x 2 + y 2 .<br />
Multiplizieren wird e<strong>in</strong>fach <strong>in</strong> <strong>der</strong> Polardarstellung. Es gilt nämlich (r 1 , ϕ 1 )(r 2 , ϕ 2 ) = (r 1 r 2 , ϕ 1 +<br />
ϕ 2 ). Ebenso e<strong>in</strong>fach ist es, <strong>das</strong> Inverse e<strong>in</strong>es Elements auszurechnen: (r, ϕ) −1 = ( 1 r , −ϕ).<br />
In <strong>der</strong> cartesischen Darstellung ist die Division e<strong>in</strong> wenig mühsamer:<br />
a 1 + ib 1<br />
= (a 1 + ib 1 )(a 2 − ib 2 )<br />
a 2 + ib 2 (a 2 + ib 2 )(a 2 − ib 2 ) = a 1a 2 + b 1 b 2 + i(a 2 b 1 − a 1 b 2 )<br />
a 2 2 + b 2 2<br />
= a 1a 2 + b 1 b 2<br />
a 2 2 + b 2 2<br />
+ i a 2b 1 − a 1 b 2<br />
.<br />
a 2 2 + b 2 2<br />
In diesem Fall haben wir den ”<br />
Bruch“ oben und unten mit <strong>der</strong>selben komplexen Zahl multipliziert,<br />
<strong>der</strong> konjugiert komplexen Zahl zu a 2 + ib 2 , also mit a 2 + ib 2 := a 2 − ib 2 . Wie<br />
wir im Nenner sehen können, <strong>in</strong> dem <strong>das</strong> Quadrat des Betrags von a 2 + ib 2 auftaucht, gilt<br />
<strong>für</strong> jede komplexe Zahl z<br />
zz = |z| 2 ,<br />
und außerdem<br />
z = z,<br />
z 1 + z 2 = z 1 + z 2 ,<br />
z 1 z 2 = z 1 z 2 .<br />
£ ¤<br />
¤ (¤<br />
Wir wollen nun untersuchen, ob es uns gel<strong>in</strong>gt, die Ordnungsrelation von auf auszudehnen,<br />
so<strong>das</strong>s wie<strong>der</strong> O1 und O2 gelten. Folgendes erstaunliches Resultat kommt dabei<br />
heraus.<br />
Theorem 5.5.4. Es gibt ke<strong>in</strong>e Ordnungsrelation auf , mit <strong>der</strong> , +, ·) e<strong>in</strong> geordneter<br />
Körper wird.<br />
Beweis. Angenommen, es gäbe e<strong>in</strong>e Ordnungsrelation ≤, die alle notwendigen Eigenschaften<br />
aufweist. D<strong>an</strong>n gilt jedenfalls −1 < 0 < 1 wegen Proposition 5.3.2.(1) und (4).<br />
Wegen i ≠ 0 folgt aber wie<strong>der</strong> wegen Proposition 5.3.2.(4), <strong>das</strong>s −1 = i 2 > 0, e<strong>in</strong><br />
Wi<strong>der</strong>spruch. Daher existiert ke<strong>in</strong>e solche Ordnungsrelation.<br />
□<br />
Nun aber zurück zu den Polynomen. Für e<strong>in</strong> beliebiges quadratisches Polynom können<br />
wir jetzt jedenfalls die Nullstellen ausrechnen. Sei nämlich<br />
p(z) = α 2 z 2 + α 1 z + α 0 ,<br />
d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> alle Nullstellen von p mit Hilfe <strong>der</strong> wohlbek<strong>an</strong>nten Formel<br />
z 1,2 = −α 1 ± √ α1 2 − 4α 2 α 0<br />
2α 2<br />
berechnen.<br />
Beispiel 5.5.5. Sei <strong>das</strong> Polynom<br />
z 2 − (3 − 8i)z − 13 − 11i<br />
gegeben. Die Nullstellen bestimmen wir wie folgt:<br />
z 1,2 = 3 − 8i ± √ (3 − 8i) 2 + 4(13 + 11i)<br />
2<br />
= 3 − 8i ± √ −55 − 48i + 52 + 44i<br />
2<br />
= 3 − 8i ± √ −3 − 4i<br />
2<br />
=
112 5. ZAHLENMENGEN<br />
Wir müssen nun die Wurzel aus −3 − 4i ziehen, wo<strong>für</strong> wir zwei Möglichkeiten haben. Zum<br />
e<strong>in</strong>en können wir <strong>in</strong> Polarkoord<strong>in</strong>aten verw<strong>an</strong>deln und √ (r, ϕ) = ( √ r, ϕ ) verwenden. Zum<br />
2<br />
<strong>an</strong><strong>der</strong>en ist es möglich, die Wurzel direkt zu ziehen. Dazu verwenden wir e<strong>in</strong>en unbestimmten<br />
Ansatz. Sei √ −3 − 4i = a + ib. D<strong>an</strong>n gilt<br />
Das führt zu dem Gleichungssystem<br />
(a + ib) 2 = −3 − 4i<br />
a 2 − b 2 + 2iab = −3 − 4i.<br />
a 2 − b 2 = −3<br />
2ab = −4.<br />
Mit e<strong>in</strong>em kle<strong>in</strong>en Trick können wir den Lösungsweg abkürzen. Wir wissen, <strong>das</strong>s<br />
a 2 + b 2 = |a + ib| 2 = |(a + ib) 2 | = | − 3 − 4i| = √ 9 + 16 = 5<br />
gilt, und aus dieser erhalten wir durch Addition bzw. Subtraktion mit <strong>der</strong> oberen Gleichung:<br />
2a 2 = 2<br />
2b 2 = 8.<br />
Wir haben also a = ±1 und b = ±2, und aus <strong>der</strong> Beziehung 2ab = −4 erhalten wir die<br />
Lösungen<br />
√<br />
−3 − 4i = ±(1 − 2i).<br />
Setzen wir <strong>das</strong> <strong>in</strong> die Lösungsformel e<strong>in</strong>, d<strong>an</strong>n erhalten wir<br />
3 − 8i ± (1 − 2i)<br />
z 1,2 =<br />
2<br />
z 1 = 2 − 5i<br />
z 2 = 1 − 3i.<br />
Für quadratische Polynome haben die komplexen Zahlen also <strong>das</strong> Nullstellenproblem<br />
erledigt, doch wir wissen noch immer nicht, ob wir <strong>das</strong>selbe <strong>für</strong> beliebige Polynome tun<br />
können. Die Frage ist, ob jedes nichtkonst<strong>an</strong>te komplexe Polynom e<strong>in</strong>e Nullstelle besitzt,<br />
ob ¤ also algebraisch abgeschlossen ist. Dieses Problem hat J.C.F. Gauss 1799 <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er<br />
Dissertation gelöst:<br />
Theorem 5.5.6 (Fundamentalsatz <strong>der</strong> Algebra). Sei p(z) e<strong>in</strong> beliebiges nichtkonst<strong>an</strong>tes<br />
Polynom mit komplexen Koeffizienten:<br />
n∑<br />
p(z) = a i z i mit a i ∈ , n > 1, a ¤ n ≠ 0.<br />
D<strong>an</strong>n existiert e<strong>in</strong> α ¤ ∈<br />
Nullstelle.<br />
i=0<br />
mit p(α) = 0, es gibt also immer wenigstens e<strong>in</strong>e (komplexe)<br />
Beweis. Der Beweis dieses Satzes würde <strong>das</strong> Lehrziel dieses Skriptums sprengen, und<br />
daher wird er weggelassen. Mittlerweile gibt es viele verschiedenen Beweise <strong>für</strong> diesen Satz.<br />
In jedem guten Buch über Funktionentheorie (komplexe Analysis) ist er zu f<strong>in</strong>den. Siehe<br />
etwa [Remmert, Schumacher 2001].<br />
□<br />
Es lässt sich sogar noch e<strong>in</strong> kle<strong>in</strong> wenig mehr sagen, denn wenn m<strong>an</strong> e<strong>in</strong>e Nullstelle<br />
e<strong>in</strong>es Polynoms gefunden hat, d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> mit Hilfe <strong>der</strong> Polynomdivision folgenden Satz<br />
beweisen:
5.6. Die Quaternionen ¥<br />
5.6. DIE QUATERNIONEN 113<br />
Theorem 5.5.7. Sei p e<strong>in</strong> komplexes Polynom n–ten Grades und α e<strong>in</strong>e Nullstelle von<br />
p. D<strong>an</strong>n gibt es e<strong>in</strong> Polynom q vom Grad n − 1, und es gilt<br />
p(z) = q(z)(z − α).<br />
M<strong>an</strong> k<strong>an</strong>n also e<strong>in</strong>en L<strong>in</strong>earfaktor (<strong>das</strong> z − α) abspalten.<br />
Beweis. Ebenfalls <strong>in</strong> guten Funktionentheorie-Büchern nachzulesen.<br />
□<br />
Fasst m<strong>an</strong> die beiden Theoreme 5.5.6 und 5.5.7 zusammen, d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> die wichtige<br />
Folgerung über Polynome und ihre Nullstellen beweisen:<br />
Korollar 5.5.8. Sei p e<strong>in</strong> komplexes Polynom vom Grad n. D<strong>an</strong>n existieren genau n<br />
L<strong>in</strong>earfaktoren z − α i mit i = 1, . . . , n, so<strong>das</strong>s<br />
n∏<br />
p(z) = z − α i .<br />
Das Polynom zerfällt also über ¤<br />
i=1<br />
<strong>in</strong> genau n L<strong>in</strong>earfaktoren.<br />
Beweis. Nach dem Fundamentalsatz <strong>der</strong> Algebra hat p e<strong>in</strong>e Nullstelle, die m<strong>an</strong> nach<br />
Theorem 5.5.7 abspalten k<strong>an</strong>n. Übrig bleibt e<strong>in</strong> Polynom q, dessen Grad um 1 kle<strong>in</strong>er ist als<br />
<strong>der</strong> von p. Auf q k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> wie<strong>der</strong> den Fundamentalsatz <strong>an</strong>wenden, usw. Das Korollar folgt<br />
mittels vollständiger Induktion.<br />
□<br />
Das ist sehr praktisch, doch lei<strong>der</strong> gibt es ke<strong>in</strong>e Möglichkeit, <strong>für</strong> allgeme<strong>in</strong>e Polynome<br />
hohen Grades diese L<strong>in</strong>earfaktoren (d.h. die Nullstellen) zu bestimmen. Nils Henrik Abel<br />
(1802–1829) hat nämlich im Jahr 1824 den folgenden Satz bewiesen:<br />
Theorem 5.5.9 (Abel). Für jedes n ≥ 5 existiert e<strong>in</strong> Polynom p mit rationalen Koeffizienten<br />
vom Grad n, <strong>das</strong> e<strong>in</strong>e reelle Nullstelle r besitzt mit <strong>der</strong> Eigenschaft, daß r nicht geschrieben<br />
werden k<strong>an</strong>n als algebraischer Ausdruck, <strong>der</strong> rationale Zahlen, Additionen, Subtraktionen,<br />
Multiplikationen, Divisionen und k–te Wurzeln enthält. An<strong>der</strong>s ausgedrückt existiert<br />
ke<strong>in</strong>e Formel und damit ke<strong>in</strong> endlicher algebraischer Algorithmus, <strong>der</strong> aus den Koeffizienten<br />
e<strong>in</strong>es Polynoms vom Grad n ≥ 5 die Nullstellen berechnet.<br />
Beweis. Der Beweis dieses Satzes gehört <strong>in</strong> die höhere Algebra und k<strong>an</strong>n unter dem<br />
Kapitel Galoistheorie z.B. <strong>in</strong> [Scheja, Storch 1988] nachgelesen werden.<br />
□<br />
¤ £ £ £ ×£ £ £<br />
£<br />
£<br />
¤ £<br />
E<strong>in</strong>e letzte <strong>in</strong>teress<strong>an</strong>te Frage k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> noch über Zahlenmengen stellen, die sich direkt<br />
aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition von als Körperstruktur auf × ergibt. K<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> z.B. auf × =<br />
3<br />
auch e<strong>in</strong>e Körperstruktur e<strong>in</strong>führen?<br />
Die Suche nach <strong>der</strong> Antwort auf diese Frage hat auch den Mathematiker Sir William<br />
Row<strong>an</strong> Hamilton (1805–1865), e<strong>in</strong>en <strong>der</strong> bedeutendsten Wissenschafter se<strong>in</strong>er Epoche beschäftigt,<br />
und im Jahr 1843 präsentierte er schließlich die Arbeit On a new Species of<br />
”<br />
Imag<strong>in</strong>ary Qu<strong>an</strong>tities connected with a theory of Quaternions“ bei e<strong>in</strong>em Treffen <strong>der</strong> Royal<br />
Irish Academy.<br />
Doch Hamilton hatte es nicht geschafft, auf 3 e<strong>in</strong>e Körperstruktur e<strong>in</strong>zuführen. Er hatte<br />
zwar ke<strong>in</strong>e Probleme gehabt, auf jedem n durch komponentenweise Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>e Addition<br />
zu erklären, die e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ergab, doch die Multiplikation hatte nicht gel<strong>in</strong>gen<br />
wollen. Was er d<strong>an</strong>n zusammengebracht hat, war e<strong>in</strong>e algebraische Struktur im 2 = 4 zu<br />
def<strong>in</strong>ieren.
114 5. ZAHLENMENGEN<br />
Sei ¥ = ¤ × ¤ gegeben. Wir def<strong>in</strong>ieren Verknüpfungen auf ¥ durch<br />
(z 0 , z 1 ) + (w 0 , w 1 ) := (z 0 + w 0 , z 1 + w 1 )<br />
(z 0 , z 1 )(w 0 , w 1 ) := (z 0 w 0 − z 1 w 1 , z 0 w 1 + z 1 w 0 ).<br />
Wir können die algebraischen Eigenschaften (¥ von , +, ·) untersuchen. Wegen <strong>der</strong> komponentenweisen<br />
Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> Addition folgt sofort, (¥ <strong>das</strong>s , +) e<strong>in</strong>e abelsche Gruppe ist.<br />
Die Multiplikation ist assoziativ:<br />
(<br />
(z0 , z 1 )(w 0 , w 1 ) ) (t 0 , t 1 ) = (z 0 w 0 − z 1 w 1 , z 0 w 1 + z 1 w 0 )(t 0 , t 1 ) =<br />
= (z 0 w 0 t 0 − z 1 w 1 t 0 − z 0 w 1 t 1 − z 1 w 0 t 1 , z 0 w 0 t 1 − z 1 w 1 t 1 + z 0 w 1 t 0 + z 1 w 0 t 0 ) =<br />
= (z 0 , z 1 )(w 0 t 0 − w 1 t 1 , w 0 t 1 + w 1 t 0 ) =<br />
= (z 0 , z 1 ) ( (w 0 , w 1 )(t 0 , t 1 ) ) ,<br />
<strong>das</strong> Element (1, 0) ist <strong>das</strong> E<strong>in</strong>selement bezüglich <strong>der</strong> Multiplikation (<strong>das</strong> ist leicht), und jedes<br />
Element verschieden von 0 = (0, 0) besitzt e<strong>in</strong> Inverses:<br />
(<br />
)<br />
(z 0 , z 1 ) −1 z 0<br />
=<br />
|z 0 | 2 + |z 1 | , −z 1<br />
.<br />
2 |z 0 | 2 + |z 1 | 2<br />
Beidseitig gelten die Distributivgesetze, doch <strong>das</strong> Kommutativgesetz bezüglich <strong>der</strong> Multiplikation<br />
ist nicht erfüllt. E<strong>in</strong>e algebraische Struktur dieser Art nennt m<strong>an</strong> Schiefkörper.<br />
Die Quaternionen <strong>der</strong> Form (z, 0) bilden e<strong>in</strong>en Körper, <strong>der</strong> isomorph ¤ zu ist, und daher<br />
werden wir diese Elemente <strong>in</strong> Zukunft auch mit den komplexen Zahlen identifizieren und<br />
wie<strong>der</strong> z schreiben.<br />
Wenn wir spezielle Elemente betrachten, erhalten wir erstaunliche Ergebnisse:<br />
(0, 1)(0, 1) = (−1, 0)<br />
(0, i)(0, i) = (−1, 0).<br />
Die Quaternionen enthalten also noch zwei ”<br />
Wurzeln“ von −1. Wir schreiben j := (0, 1) und<br />
k := (0, i) und erhalten so die Rechenregeln<br />
i 2 = −1, j 2 = −1, k 2 = −1,<br />
ij = k, jk = i, ki = j,<br />
ji = −k, kj = −i, ik = −j.<br />
Aus <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> Quaternionen lässt sich leicht zeigen, <strong>das</strong>s m<strong>an</strong> jedes q ¥ ∈ e<strong>in</strong>deutig<br />
schreiben k<strong>an</strong>n als z 0 + z 1 j (Achtung auf die Reihenfolge!) mit komplexen Koeffizienten z 0<br />
und z 1 o<strong>der</strong> als q = a 0 + a 1 i + a 2 j + a 3 k mit reellen Koeffizienten a i .<br />
Der Betrag e<strong>in</strong>er Quaternione ist<br />
und die konjugierte Quaternione ist<br />
|(z 0 , z 1 )| = √ |z 0 | 2 + |z 1 | 2 ,<br />
(z 0 , z 1 ) = (z 0 , −z 1 ).<br />
Es gilt <strong>an</strong>alog zu den komplexen Zahlen |q| 2 = qq.<br />
Interess<strong>an</strong>t ist vielleicht noch e<strong>in</strong>e weitere Darstellung <strong>der</strong> Quaternionen als Paar (a, A)<br />
mit e<strong>in</strong>e reellen Zahl a und e<strong>in</strong>em Vektor A £ ∈ 3 . In diesem Fall lassen sich die Operationen<br />
h<strong>in</strong>schreiben als<br />
(a, A) + (b, B) = (a + b, A + B)<br />
(a, A)(b, B) = (ab − AB, aB + Ab + A × B),
5.6. DIE QUATERNIONEN 115<br />
also fast so wie die Operationen ¤ <strong>in</strong> , bis auf den Term A × B <strong>in</strong> <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> Multiplikation.<br />
An dieser Def<strong>in</strong>ition k<strong>an</strong>n m<strong>an</strong> auch schon erahnen, <strong>das</strong>s Quaternionen etwas mit<br />
Drehungen zu tun haben.<br />
Die Frage, die sich die Mathematiker jetzt stellten war, ob niem<strong>an</strong>d klug genug war, die<br />
richtige Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>er Multiplikation zu f<strong>in</strong>den, o<strong>der</strong> ob die Schwierigkeiten e<strong>in</strong>en <strong>mathematische</strong>n<br />
Grund haben.<br />
Arthur Cayley (1821–1895) hat versucht, die Methode noch e<strong>in</strong>mal <strong>an</strong>zuwenden und auf<br />
¥ × ¥<br />
∼ = 8 £ e<strong>in</strong>e Multiplikation e<strong>in</strong>zuführen. Es gel<strong>an</strong>g ihm, die Cayley-Zahlen o<strong>der</strong> Oktaven<br />
<br />
o<strong>der</strong> Okternionen zu def<strong>in</strong>ieren, doch <strong>der</strong>en algebraische Eigenschaften lassen doch deutlich<br />
mehr zu wünschen übrig als die <strong>der</strong> Quaternionen. Okternionen s<strong>in</strong>d nicht e<strong>in</strong>mal mehr e<strong>in</strong><br />
Schiefkörper. Es besitzt zwar jedes Element e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>deutiges Inverses, doch die Multiplikation<br />
ist nicht assoziativ! Solch e<strong>in</strong>e algebraische Struktur, <strong>in</strong> <strong>der</strong> über e<strong>in</strong>er abelschen Gruppe e<strong>in</strong>e<br />
Multiplikation def<strong>in</strong>iert wird, die die Distributivität erfüllt und wo E<strong>in</strong>selement und Inverse<br />
existieren, heißt (nichtassoziative) Divisionsalgebra.<br />
n<br />
E<strong>in</strong> tiefer Satz aus <strong>der</strong> Differentialgeometrie besagt nun, <strong>das</strong>s £<br />
Divisionsalgebren über<br />
nur <strong>in</strong> den Dimensionen 1, 2, 4 und 8 existieren, und <strong>in</strong> je<strong>der</strong> dieser Dimensionen genau<br />
£ e<strong>in</strong>e, ¤ nämlich ¥ , , und . Es war also nicht Unfähigkeit, die die Mathematiker des 19.<br />
Jahrhun<strong>der</strong>ts dar<strong>an</strong> geh<strong>in</strong><strong>der</strong>t hat, £ über allen n e<strong>in</strong>e Körperstruktur zu f<strong>in</strong>den, son<strong>der</strong>n sie<br />
haben nach nicht Existentem gestrebt.<br />
Damit beenden wir unseren Ausflug <strong>in</strong> die Welt <strong>der</strong> Zahlen. Beg<strong>in</strong>nend von , <strong>der</strong> Klasse<br />
von Zahlen, <strong>der</strong>en Geschichte ihren Ursprung bereits <strong>in</strong> grauer Vorzeit hat, haben wir sie<br />
basierend auf den neuen <strong>mathematische</strong>n Grundlagen neu entdeckt. Weiter g<strong>in</strong>g es über die<br />
g<strong>an</strong>zen zu den rationalen Zahlen und darauf aufbauend zu den reellen Zahlen, <strong>der</strong> Grundlage<br />
<strong>der</strong> Analysis. Auf <strong>der</strong> Suche nach den Nullstellen <strong>der</strong> Polynome s<strong>in</strong>d wir zu den komplexen<br />
Zahlen und Gauss’ fundamentalem Theorem gel<strong>an</strong>gt. Selbst die Frage, ob wir damit schon<br />
alle Zahlensysteme gefunden haben, £ die als Unterkörper haben und <strong>in</strong> denen m<strong>an</strong> dividieren<br />
k<strong>an</strong>n, haben wir untersucht. Wir haben alle dieser Strukturen gefunden, und daher ist es jetzt<br />
<strong>an</strong> <strong>der</strong> Zeit, Neul<strong>an</strong>d zu entdecken und zu erkunden, was Generationen von Mathematikern<br />
aus den hier präsentierten Pr<strong>in</strong>zipien geschaffen haben.<br />
Ich hoffe, <strong>das</strong>s die Reise <strong>in</strong> die Grundlagen <strong>der</strong> mo<strong>der</strong>nen Mathematik wenigstens e<strong>in</strong><br />
bisschen Freude bereitet hat. Ich wünsche allen noch viel Vergnügen mit all den Theorien,<br />
Strukturen und Anwendungen, die im Verlauf des Studiums noch kommen mögen.
Literaturverzeichnis<br />
[Beutelspacher 1999]<br />
[Bishop 1967]<br />
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[Cigler, Reichel 1987]<br />
Beutelspacher, A., Das ist o.B.d.A. trivial, Tips und Tricks zur Formulierung<br />
<strong>mathematische</strong>r Ged<strong>an</strong>ken, Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden,<br />
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Bishop, E., Foundations of constructive <strong>an</strong>alysis, McGraw–Hill, New<br />
York, 1967.<br />
Bronste<strong>in</strong>, I.N.; Semendjajew, K.A., Taschenbuch <strong>der</strong> Mathematik,<br />
Verlag Harri Deutsch, Thun, 1989.<br />
Cigler, J.; Reichel, H.C., Topologie, B.I. Hochschultaschenbücher,<br />
M<strong>an</strong>nheim/Wien/Zürich, 1987.<br />
[O’Connor, Robertson 1996] O’Connor, J.J; Robertson, E.F., A history of set theory,<br />
http://www-groups.dcs.st-<strong>an</strong>d.ac.uk/˜history/HistTopics/<br />
Beg<strong>in</strong>n<strong>in</strong>gs of set theory.html, 1996.<br />
[Remmert, Schumacher 2001] Remmert, R.; Schumacher, Funktionentheorie 1, Spr<strong>in</strong>ger Verlag, 2001.<br />
[Scheja, Storch 1988]<br />
Scheja, G.; Storch, U., Lehrbuch <strong>der</strong> Algebra, Teubner Verlag, Stuttgart,<br />
1988.<br />
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