Surreale Zahlen
Wird bearbeitet von Leonard, Luna und Thomas:
Erste Konstruktionsschritte
Grundidee: jede surreale Zahl x lässt sich als x = [{L|R}] mit zwei Mengen L (linke Menge von x) und R (rechte Menge von x) schreiben, wobei gelten soll:
- L und R sind selber Mengen surrealer Zahlen
- Jedes Element aus L ist kleiner als jedes Element aus R
- (Wohlgeformtheit)
Notation: wir schreiben der Einfachheit halber {a,b|x} statt {{a,b}|{x}} und {|y} statt {∅|{y}}
Ordnungsrelation:
Seien x={Lx|Rx}, y={Ly|Ry} surreale Zahlen.
Dann gilt x≤y genau dann, wenn y kleinergleich keinem Element von Lx und kein Element von Ry kleinergleich x ist. x<y wird als "nicht y≤x" definiert.
(Quantorenschreibweise: x≤y :⇔ ∀lx∈Lx:lx<y, ∀ry∈Ry:ry>x)
Eine surreale Zahl x ist somit genau dann wohlgeformt, wenn sie die <=-Bedingung erfüllt, also x<=x gilt.
Aus x<=y und y <=x folgt dabei nicht, dass x=y gilt. Daher führen wir die Relation "==" ein:
x==y gilt genau dann, wenn x<=y und y<=x gilt
| Tag 0 | |||
|---|---|---|---|
| Tag 1 | |||
[{|}] := 0
[{|0}] := -1 [{0|}] := 1
[{|-1}] := -2 [{-1|0}] := 1/2 [{0|1}] := 1/2 [{1|}] := 2
Tag ω und danach
Konstruktion von reellen Zahlen
Alle Zahlen, die wir durch Induktion über n erhalten haben, besitzen die Form [math]\frac{m}{2^n}, m,n \in \mathbb{Z} [/math]. Alle diese Zahlen haben endliche Dezimaldarstellungen. Den Tag, an welchem alle diese Zahlen bereits existieren (also "ein Tag" nach abzählbar unendlich vielen Tagen) und wir mit diesen neue Zahlen erschaffen, nennen wir Tag ω. Wir werden sehen, dass sich nun auch Zahlen mit nicht endlichen Dezimaldarstellungen konstruieren lassen. Wir betrachten dazu:
Beispiel: Konstruktion von [math]\frac{1}{3}[/math]
Es soll hier zunächst die Konstruktionsidee skizziert werden, welche in ähnlicher Form in weiteren Konstruktionen angewandt werden wird:
Konstruktionsidee
Wir wollen erreichen, dass [math]x=\frac{1}{3} [/math]
Wir wissen, dass [math] X_L \lt x \lt X_R [/math] . Wir füllen nun also [math]X_L [/math] mit Zahlen, die kleiner sind als [math]\frac{1}{3}[/math] und [math]X_R [/math] mit entsprechend größeren. Wir benötigen also also zwei nach 1/3 konvergente Folgen in den bereits existenten Zahlen. Setze also [math]x= \{a_n \in (a)_n | b_n \in (b)_n\}[/math], wobei [math](a)_n[/math]eine monoton steigende und [math](b)_n[/math]eine monoton fallende Folge ist.
Ansatz
Setze
[math]a_n=\frac{(4^n-1)/3}{4^n}[/math]
und
[math]b_n=\frac{(2^{2n+1}+1)/3}{2^{2n+1}}[/math]
Man kann sich leicht überlegen, dass die Folgen die gewünschten Eigenschaften besitzen.
Da sich die reellen Zahlen vollständig durch Cauchyfolgen konstruieren lassen, ist somit ganz [math]\mathbb{R} [/math] an Tag ω erschaffen.
Konstruktion von hyperrellen Zahlen
An Tag ω werden aber nicht nur die Reellen Zahlen erschaffen, sondern ebenfalls infinitesmal benachtbarte und infinite Zahlen. Diese können mit den hyperreellen Zahlen identifiziert werden. In der Tat ist der Konstruktionsmechanismus sogar ausgesprochen ähnlich.
Beispiel: Konstruktion von ε
Setze [math]a_n=\frac{1}{2^n}[/math]. Dann ist [math]\epsilon = \{ 0 | a_n \in (a)_n\}[/math]kleiner als jede positive Zahl, aber größer als Null, also eine infinitismal kleine Zahl. Durch Addition [math]x+\epsilon[/math] (oder subtraktion) lässt sich zu zu jeder Zahl x eine infinitismal benachtbarte Zahl schaffen.
Beachte, dass [math](a)_n[/math]eine beliebige Nulllfolge sein kann.
Beispiel: Konstruktion von ω
Setze [math]a_n=n[/math]. Dann ist [math]\omega = \{ a_n \in (a)_n| \}=\{ 1,2,3,4,...| \}[/math]offenbar größer als jede reelle Zahl.
Es ist desweiteren εω = 1, was hier gezeigt wird.