1.1 1.1.1 Números naturales

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1.1.1 Números naturales

1

Definición y conjunto de los números naturales

El conjunto de los números naturales es el sistema numérico más elemental, originado por la necesidad universal de contar elementos en colecciones discretas y ordenar secuencias finitas.

En el marco del Cálculo Infinitesimal universitario adoptamos la convención estándar en la que el cero no se incluye en el conjunto de los números naturales:

$$N = \{1, 2, 3, 4, \dots\} $$
Ejemplo:

Si un algoritmo procesa una lista de datos y cuenta el número de iteraciones realizadas con éxito, el contador toma valores en \(N \). Para tres iteraciones completadas escribimos \(n = 3 \in N \)

2

Operaciones internas y clausura en los números naturales

En el conjunto \(N \) se definen de forma canónica dos operaciones cerradas o internas: la adición o suma, y el producto o multiplicación.

Para cualquier par de números naturales \(a, b \in N \), tanto su suma como su producto son siempre números naturales bien determinados:

$$a + b \in N $$
$$a \cdot b \in N $$
Ejemplo:

Tomando los números naturales \(a = 7 \) y \(b = 12 \), su suma es \(7 + 12 = 19 \in N \), y su producto es \(7 \cdot 12 = 84 \in N \). En ambos casos el resultado permanece dentro del conjunto de partida.

3

Propiedades algebraicas fundamentales de las operaciones

Las operaciones de adición y multiplicación en el conjunto \(N \) satisfacen las siguientes leyes axiomáticas fundamentales:

- Propiedad Conmutativa: El orden de los sumandos o de los factores no altera el resultado de la operación:

$$a + b = b + a, \quad a \cdot b = b \cdot a, \quad \forall a, b \in N $$

- Propiedad Asociativa: El agrupamiento de los términos no altera el resultado final:

$$(a + b) + c = a + (b + c), \quad (a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c), \quad \forall a, b, c \in N $$

- Propiedad Distributiva: La multiplicación se distribuye respecto de la adición:

$$a \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c, \quad \forall a, b, c \in N $$

- Elemento Neutro Multiplicativo: El número uno es el único elemento neutro para el producto en los números naturales:

$$a \cdot 1 = 1 \cdot a = a, \quad \forall a \in N $$

En cambio, en \(N \) no existe elemento neutro para la suma (el cero no es natural) ni existen elementos simétricos u opuestos.

Ejemplo:

Comprobamos estas leyes con valores concretos.

Para la conmutatividad y asociatividad: \(4 + 11 = 11 + 4 = 15 \), y \((2 + 3) + 7 = 5 + 7 = 12 = 2 + (3 + 7) \). Para la distributiva: \(3 \cdot (4 + 6) = 3 \cdot 10 = 30 \), coincidiendo exactamente con \(3 \cdot 4 + 3 \cdot 6 = 12 + 18 = 30 \)

4

Limitaciones del sistema: no clausura de la sustracción

La operación de resta o sustracción no es una operación interna en el conjunto \(N \). Dados dos números naturales \(a, b \in N \), la diferencia \(a - b \) sólo pertenece a \(N \) cuando el minuendo es estrictamente mayor que el sustraendo (\(a > b \)).

Ejemplo:

Si tomamos \(a = 4 \) y \(b = 9 \), la diferencia resulta \(4 - 9 = -5 \notin N \). Asimismo, si tomamos \(a = b = 4 \), tenemos \(4 - 4 = 0 \notin N \)

Por tanto, ecuaciones lineales simples como \(x + 5 = 2 \) carecen de solución en \(N \), motivando la extensión al conjunto de los números enteros.

5

Principio del buen orden

Una propiedad axiomática y estructural determinante del conjunto de los números naturales es el Principio del Buen Orden:

Todo subconjunto no vacío \(S \subset N \) posee un elemento mínimo o primer elemento:

$$\exists m \in S \quad \text{tal que} \quad m \le x, \quad \forall x \in S $$
Ejemplo:

Consideremos el conjunto de los múltiplos impares de tres mayores que diez:

$$S = \{15, 21, 27, 33, \dots\} $$

El conjunto \(S \) es un subconjunto no vacío de \(N \). En virtud del principio del buen orden, posee un elemento mínimo indiscutible, que en este caso es exactamente \(m = 15 \)

1. Por tanto:

$$2S = 100 \cdot 101 = 10100 $$
PASO 3

Despeje del valor de la suma.

Dividimos entre dos:

$$S = \frac{100 \cdot 101}{2} = 50 \cdot 101 = 5050 $$

En general, para cualquier número natural \(n \in N \), la suma de los primeros \(n \) números naturales viene dada por la fórmula cerrada:

$$\sum_{k=1}^n k = \frac{n(n + 1)}{2} $$
Conclusión

La suma de los primeros 100 números naturales es exactamente igual a \(5050 \)

Ejemplo 1:

Ecuaciones algebraicas discretas con soluciones naturales

Resolución rigurosa de ecuaciones lineales analizando las restricciones del dominio natural

Determinar todos los números naturales \(n \in N \) que satisfacen la ecuación lineal \(3n + 14 = 5n - 6 \)

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por aislar la incógnita mediante trasposición de términos semejantes.

A continuación calcularemos el valor algebraico de la incógnita.

Para terminar comprobaremos si dicho valor pertenece estrictamente al conjunto de los números naturales.

PASO 1

Agrupación de términos semejantes.

Restamos \(3n \) en ambos miembros y sumamos 6 en ambos miembros de la ecuación:

$$14 + 6 = 5n - 3n $$
$$20 = 2n $$
PASO 2

Despeje del valor de la incógnita.

Dividimos ambos miembros entre dos:

$$n = \frac{20}{2} = 10 $$
PASO 3

Validación en el conjunto de los naturales.

El valor obtenido es \(n = 10 \). Como 10 es un número entero positivo mayor que cero, verificamos que:

$$10 \in N $$
Conclusión

La ecuación lineal posee una única solución en el conjunto de los números naturales, que es \(n = 10 \)

Ejemplo 2:

Inecuaciones racionales con incógnita natural

Estudio de una desigualdad algebraica para valores enteros positivos

Hallar el conjunto de todos los números naturales \(n \in N \) que verifican la desigualdad \(\frac{4n + 9}{n + 1} \le 3 \)

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por analizar el signo del denominador para operar con la inecuación.

A continuación multiplicaremos por el denominador para obtener una desigualdad lineal equivalente.

Para terminar contrastaremos el intervalo solución obtenido con el conjunto de los números naturales.

PASO 1

Eliminación del denominador fraccionario.

Dado que \(n \in N \), tenemos \(n \ge 1 \), por lo que el denominador \(n + 1 \ge 2 > 0 \)

Podemos multiplicar ambos miembros por \(n + 1 \) sin cambiar el sentido de la desigualdad:

$$4n + 9 \le 3(n + 1) $$
PASO 2

Desarrollo y simplificación algebraica.

Aplicamos la propiedad distributiva en el miembro derecho:

$$4n + 9 \le 3n + 3 $$

Restamos \(3n \) y restamos 9 en ambos lados:

$$4n - 3n \le 3 - 9 \implies n \le -6 $$
PASO 3

Análisis de existencia en el dominio natural.

La condición algebraica exige que \(n \le -6 \)

Sin embargo, para todo \(n \in N \) se cumple por definición que \(n \ge 1 > 0 \)

No existe ningún número natural que sea simultáneamente menor o igual que - 6.

Conclusión

La inecuación no posee ninguna solución en el conjunto de los números naturales; el conjunto de soluciones en \(N \) es el conjunto vacío \(\emptyset \)

Ejemplo 3:

Suma finita de números naturales consecutivos

Aplicación de la fórmula de Gauss para la suma aritmética discreta

Calcular el valor de la suma de los primeros 100 números naturales $$S = \sum_{k=1}^{100} k = 1 + 2 + 3 + \dots + 100 $$

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por plantear la suma y su orden inverso.

A continuación sumaremos término a término ambas expresiones agrupadas.

Para terminar dividiremos entre dos para obtener el valor numérico exacto.

PASO 1

Planteamiento de la suma directa e invertida.

Escribimos la suma directa y la suma en orden inverso:

$$ S = 1 + 2 + 3 + \dots + 99 + 100 \implies S = 100 + 99 + 98 + \dots + 2 + 1 $$
PASO 2

Suma término a término de ambas expresiones.

Sumamos miembro a miembro las dos igualdades:

$$2S = (1 + 100) + (2 + 99) + (3 + 98) + \dots + (100 + 1) $$

Cada uno de los 100 pares suma exactamente

1

0

Ejemplo 4:

Divisibilidad algebraica en el conjunto de los números naturales

Demostración de que la expresión n al cubo menos n es siempre múltiplo de seis para todo n natural

Demostrar que para todo número natural \(n \in N \), la cantidad \(E(n) = n^3 - n \) es divisible exactamente por 6.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por factorizar algebraicamente el polinomio.

A continuación analizaremos la naturaleza de los factores como enteros consecutivos.

Para terminar aplicaremos el principio de primalidad para deducir la divisibilidad entre seis.

PASO 1

Factorización algebraica del polinomio.

Extraemos factor común \(n \) y factorizamos la diferencia de cuadrados resultante:

$$n^3 - n = n(n^2 - 1) = n(n - 1)(n + 1) $$

Reordenando los factores en orden estrictamente creciente:

$$n^3 - n = (n - 1) \cdot n \cdot (n + 1) $$
PASO 2

Propiedad de los productos de enteros consecutivos.

La expresión \((n - 1) \cdot n \cdot (n + 1) \) representa el producto de tres números enteros consecutivos.

En cualquier conjunto de tres enteros consecutivos se verifican siempre dos propiedades:

- Al menos uno de ellos es divisible por 2 (es par).

- Exactamente uno de ellos es divisible por 3 (los múltiplos de tres se repiten cada tres unidades).

PASO 3

Conclusión de divisibilidad simultánea.

Como 2 y 3 son números primos entre sí (\(\text{mcd}(2, 3) = 1 \)), si una cantidad es divisible simultáneamente por 2 y por 3, es necesariamente divisible por su producto \(2 \cdot 3 = 6 \)

Para \(n = 1 \), la expresión vale \(1^3 - 1 = 0 = 6 \cdot 0 \), y para todo \(n \ge 2 \), el resultado es un múltiplo positivo de 6 perteneciente a \(N \)

Conclusión

La expresión \(n^3 - n \) es siempre un múltiplo exacto de 6 para cualquier número natural \(n \)

Ejemplo 5:

Acotación de sucesiones discretas en el conjunto natural

Determinación de los valores naturales que satisfacen una cota fraccionaria estricta

Hallar todos los números naturales \(n \in N \) para los cuales la sucesión fraccionaria \(a_n = \frac{2n + 15}{n + 2} \) produce un número entero positivo mayor o igual que

3.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por plantear la inecuación en el dominio natural.

A continuación resolveremos algebraicamente la desigualdad para acotar los posibles valores.

Para terminar analizaremos la condición de divisibilidad entera para seleccionar los valores válidos.

PASO 1

Planteamiento de la inecuación en el dominio natural.

Planteamos la desigualdad con la condición dada:

$$\frac{2n + 15}{n + 2} \ge 3 $$

Como \(n \in N \), el denominador \(n + 2 \ge 3 > 0 \)

Por tanto, podemos multiplicar ambos miembros por \(n + 2 \) sin alterar el sentido de la desigualdad:

$$2n + 15 \ge 3(n + 2) $$
PASO 2

Resolución algebraica de la inecuación.

Desarrollamos el producto distributivo:

$$2n + 15 \ge 3n + 6 $$

Agrupamos términos semejantes restando \(2n \) y restando 6 en ambos miembros:

$$15 - 6 \ge 3n - 2n \implies 9 \ge n \implies n \le 9 $$

Como \(n \in N \), los candidatos naturales son \(n \in \{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9\} \)

PASO 3

Comprobación de la condición de número entero.

Reescribimos la fracción dividiendo el numerador entre el denominador:

$$a_n = \frac{2(n + 2) + 11}{n + 2} = 2 + \frac{11}{n + 2} $$

Para que \(a_n \) sea un número entero, el denominador \(n + 2 \) debe ser divisor exacto de 1

1.

Como 11 es un número primo, sus únicos divisores positivos son 1 y 11:

$$n + 2 = 1 \implies n = -1 \notin N $$

$$n + 2 = 11 \implies n = 9 \in N $$

Verificamos que para \(n = 9 \): \(a_9 = 2 + \frac{11}{11} = 2 + 1 = 3 \ge 3 \)

Conclusión

El único número natural que cumple simultáneamente ser mayor o igual que 3 y generar un valor entero es \(n = 9 \)