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皮亚诺公理 ​

首先我们给出五条公理来定义自然数:

  1. 0 是自然数,
  2. 对于任意自然数 a 都有一个唯一对应的后继 a′,
  3. 0 不是任意自然数的后继,
  4. 相同自然数的后继相同,不同自然数的后继不同,
  5. 如果一个命题 P 对自然数 0 成立,并且当 P(n) 成立时,P(n′) 也成立,那么 P 对任意自然数都成立。(称为归纳公理)

在以下的章节里,我们认为 1 与 0′ 是等价的,2 与 0″ 是等价的,以此类推。

加法的定义与应用 ​

对于加法,我们给出以下两条公理:

  1. 对于任意自然数 m,有 0+m=m
  2. 对于任意自然数 m、n,有 m′+n=(m+n)′

于是我们便可以证明以下定理:

m+0=m ​

当 m=0 时,有

m+0=0+0=0=m

即 P(0) 成立。

当 P(m) 成立时,有

m′+0=(m+0)′=m′

即 P(m′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

1+1=2 ​

1+1=0′+1=(0+1)′=1′=2

即证。

m′=1+m ​

m′=(0+m)′=0′+m=1+m

即证。

m′=m+1 ​

当 m=0 时,有

m′=0′=1=0+1=m+1

即 P(0) 成立。

当 P(m) 成立时,有

m″=(m+1)′=m′+1

即 P(m′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

加法结合律 ​

即对于任意自然数 a,命题 P:(a+b)+c=a+(b+c) 对于任意自然数 b,c 均成立。

证明过程如下:

当 a=0 时,有

(a+b)+c=(0+b)+c=b+c=0+(b+c)=a+(b+c)

即 P(0) 成立。

当 P(a) 成立时,有

(a′+b)+c=(a+b)′+c=((a+b)+c)′=(a+(b+c))′=a′+(b+c)

即 P(a′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

加法交换律 ​

即对于任意自然数 a,命题 P:a+b=b+a 对于任意自然数 b 均成立。

证明过程如下:

当 a=0 时,有

a+b=0+b=b+0=b+a

即 P(0) 成立。

当 P(a) 成立时,有

a′+b=(a+b)′=(b+a)′=b′+a=(b+1)+a=b+(1+a)=b+a′

即 P(a′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

乘法的定义与应用 ​

对于乘法,我们同样可以给出以下两条公理:

  1. 对于任意自然数 m,有 m⋅0=0
  2. 对于任意自然数 m、n,有 m⋅n′=m⋅n+m

于是我们便可以证明以下定理:

0⋅m=0 ​

当 m=0 时,有

0⋅m=0⋅0=0

即 P(0) 成立。

当 P(m) 成立时,有

0⋅m′=0⋅m+0=0⋅m=0

即 P(b′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

m′⋅n=m⋅n+n ​

当 n=0 时,有

m′⋅n=m′⋅0=0=0+0=m⋅0+0=m⋅n+n

即 P(0) 成立。

当 P(n) 成立时,有

m′⋅n′=m′⋅n+m′=m⋅n+n+m′=m⋅n+n+(m+1)=m⋅n+m+(n+1)=m⋅n′+n′

即 P(n′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

乘法分配律 ​

即对于任意自然数 m,命题 P:k⋅(m+n)=k⋅m+k⋅n 对于任意自然数 n,k 均成立。

证明过程如下:

当 m=0 时,有

k⋅(m+n)=k⋅(0+n)=k⋅n=0+k⋅n=k⋅0+k⋅n=k⋅m+k⋅n

即 P(0) 成立。

当 P(m) 成立时,有

k⋅(m′+n)=k⋅(m+n)′=k⋅(m+n)+k=k⋅m+k⋅n+k=k⋅m+k+k⋅n=k⋅m′+k⋅n

即 P(m′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

乘法结合律 ​

即对于任意自然数 c,命题 P:(a⋅b)⋅c=a⋅(b⋅c) 对于任意自然数 a,b 均成立。

证明过程如下:

当 c=0 时,有

(a⋅b)⋅c=(a⋅b)⋅0=0=a⋅0=a⋅(b⋅0)=a⋅(b⋅c)

即 P(0) 成立。

当 P(c) 成立时,有

(a⋅b)⋅c′=(a⋅b)⋅c+(a⋅b)=a⋅(b⋅c)+a⋅b=a⋅(b⋅c+b)=a⋅(b⋅c′)

即 P(c′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

乘法交换律 ​

即对于任意自然数 b,命题 P:a⋅b=b⋅a 对于任意自然数 a 均成立。

证明过程如下:

当 b=0 时,有

a⋅b=a⋅0=0=0⋅a=b⋅a

即 P(0) 成立。

当 P(b) 成立时,有

a⋅b′=a⋅b+a=b⋅a+a=b′⋅a

即 P(b′) 成立。

由归纳公理得 P 对任意自然数都成立。

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