¿Cuál es una explicación intuitiva de un corte de Dedekind?

Eudoxo (408–355)

La definición de Eudoxus de proporciones iguales es el antecedente de la construcción de Dedekind de los reales a partir de números racionales. De hecho, son casi lo mismo, excepto que Eudoxus asumió que la proporción ya existía, y Dedekind lo hizo existir incluso si no se había dado cuenta antes.

Los números de Eudoxo

En el tiempo de Eudoxus, los únicos números eran enteros positivos. 1, 2, 3, 4, etc. No había “números racionales” formales en ese momento.

Las magnitudes de Eudoxo

Las magnitudes incluyen cosas como segmentos de línea; anglos; figuras planas como triángulos, cuadrados y círculos; y sólidos como cubos y esferas. Tenga en cuenta que sus figuras de avión se completaron; no eran solo límites. También sus cubos y esferas eran sólidos. Son cuatro tipos diferentes de magnitudes: líneas, ángulos, figuras planas y sólidos. Había otros tipos, pero eso es suficiente para hacer la mayor parte de la geometría euclidiana.

Dadas dos de esas magnitudes del mismo tipo, podría compararlas. Sabía lo que significaba decir que A es menor, igual o mayor que B. En términos modernos, diríamos que las magnitudes de cualquier tipo forman un conjunto totalmente ordenado.

Además, podría sumar magnitudes del mismo tipo. En particular, podría agregar múltiplos de la misma magnitud, como A + A + A y B + B + B + B, como 3 elipses y 4 triángulos.
Y dado que tenía números enteros positivos, podría sumar cualquier múltiplo de ellos, como nA y mB. Y él podría comparar esos múltiplos. Sabía lo que significaba decir que nA es menor, igual o mayor que mB.
Pero sí tenía proporciones de magnitudes del mismo tipo. Consideró la relación A: B de dos magnitudes del mismo tipo, como dos segmentos de línea, o dos regiones planas, o dos ángulos, o dos sólidos.

Además, podría sumar magnitudes del mismo tipo. En particular, podría agregar múltiplos de la misma magnitud, como A + A + A y B + B + B + B. Y dado que tenía números enteros positivos, podría sumar cualquier múltiplo de ellos, como nA y mB. Y él podría comparar esos múltiplos. Sabía lo que significaba decir que nA es menor, igual o mayor que mB.

Ratios de Eudoxo

Eudoxus podría tomar proporciones de dos cosas del mismo tipo. Por ejemplo, la diagonal de un cuadrado a su lado. Pensamos que esa relación es un número real, es decir, la raíz cuadrada de 2, pero no era un número de Eudoxus. Las proporciones tuvieron que ser nombradas por dos magnitudes A y B del mismo tipo. Denotaré una relación como A: B.

Eudoxus compara proporciones

Como Eudoxus podía comparar cualquier múltiplo, nA y mB, podía definir qué significaba que dos razones fueran iguales.

Su definición está en Elementos de Euclides, Libro V, Definiciones 5 y 6. En esa definición, definió cuándo una relación A: B de dos magnitudes A y B de un tipo era igual a la relación C: D de dos magnitudes C y D de otro tipo (o del mismo tipo que A y B ):

La relación A: B es igual a la relación C: D significa que
para todos los enteros positivos myn
si nA> mB, entonces nC> mD,
si nA = mB, entonces nC = mD, y
si nA <mB, entonces nC <mD.

Eudoxus también definió lo que significaba que la relación A: B fuera menor que la relación C: D , y también que fuera mayor.

Con esas definiciones, se deduce que la relación A: B es menor que la relación numérica m: n si y solo si nA <mB, igual a m: n si y solo si nA = mB, y mayor que m: n si y solo si nA> mB.

Entonces, su definición puede reformularse diciendo que A: B es igual a C: D si y solo si A: B se compara con todas las razones numéricas m: n de la misma manera que C: D.

Las proporciones de Eudoxus definen cortes

Ahora tenemos números racionales, y podemos identificar la relación numérica de Eudoxus m: n como el número racional positivo m / n. Luego, cada relación A: B corta los números racionales en dos conjuntos: un conjunto de la izquierda que consiste en esas razones m / n menores o iguales que A: B, y un conjunto de la derecha que consiste en esas razones m / n mayores que A: B.

Entonces, podemos decir que cualquiera de las proporciones de Eudoxus define un corte de los números racionales positivos.

Contribuciones de Dedekind

Lo que hizo Dedekind (1831–1916) fue definir un número real como un corte de los números racionales en un conjunto de izquierda y derecha, independientemente de si ese corte se realizó o no por una de las proporciones de magnitudes de Eudoxus. (Dedekind también incluyó números racionales cero y negativos. Eudoxus nunca había considerado cero o magnitudes negativas)

Ayuda a pensar a la inversa. Supongamos que has definido los reales. Elija un número real y tenga en cuenta que divide los racionales por la mitad. Por un lado, cada número racional es menor que ese número, y por el otro, todo es más grande.

Ahora, olvídate de eso real, y considera solo esos dos conjuntos. Bueno, hay una correspondencia uno a uno, por lo que puede definir los reales como el conjunto de todas estas particiones. En esta construcción, los racionales corresponden a particiones a las que les falta un elemento, a saber, ellos mismos.

Lo que hace que esto funcione es que los racionales son ordenados y densos dentro de los reales, y entre dos racionales distintos, puedes encontrar un tercero.

Aquí hay una representación bidimensional completamente informal de los números racionales que puede proporcionar un marco para visualizar intuitivamente la naturaleza de un corte de Dedekind.

He descubierto que, dado que los números racionales son estructuras de datos bidimensionales, visualizarlos en dos dimensiones en lugar de solo una proporciona una forma útil de visualizar muchas de sus relaciones.

Considere una red de coordenadas enteras cartesianas donde el eje [matemático] y [/ matemático] es el eje del numerador , y el eje [matemático] x [/ matemático] es el eje del denominador . Llamaremos a esto el plano de número racional .

De acuerdo con esta interpretación, cualquier número racional [matemática] \ frac {y} {x} [/ matemática] corresponde a un par ordenado [matemática] (x, y) [/ matemática], donde [matemática] x [/ matemática] y [math] y [/ math] son ​​enteros.

Una hermosa estructura de tipo fractal para explorar es el conjunto de puntos que representan fracciones totalmente reducidas.

La pendiente de la línea que contiene los puntos [matemática] (0, 0) [/ matemática] y [matemática] (x, y) [/ matemática] es [matemática] \ frac {y} {x} [/ matemática].

Imagine un láser colocado en el origen disparando un rayo a través del plano de número racional. Si el láser está orientado con una pendiente de [math] \ sqrt {2} [/ math], el rayo continuará indefinidamente sin encontrar otro punto de red.

La línea [matemáticas] y = \ sqrt {2} x [/ matemáticas] divide el plano racional en dos conjuntos distintos. Todos los puntos sobre la línea corresponden a razones mayores que [math] \ sqrt {2} [/ math], y todos los puntos debajo de la línea corresponden a razones menores que [math] \ sqrt {2} [/ math] .

A medida que avanzamos más y más en el plano de números racionales, nos encontramos con puntos de red [matemática] (x, y) [/ matemática] donde [matemática] \ frac {y} {x} [/ matemática] se acercará cada vez más aproximada [matemáticas] \ sqrt {2} [/ matemáticas].

Un corte de Dedekind es un formalismo técnico, uno realmente sin interés intrínseco * por sí solo. El problema que Dedekind intentaba resolver era “tenemos una comprensión intuitiva de cuáles son los números reales … pero ¿cómo hacemos que sea tan riguroso?” Es decir, ¿cómo construimos [math] \ mathbb {R} [/ math] a partir de estructuras más simples que entendemos completamente (en este caso, a partir de los racionales, que a su vez se construyen a partir de los números naturales).

[*] Sí, sé que la misma idea se vuelve fundamental en la teoría del orden con el pretexto de completar Dedekind-Macneille.