Corsi di allenamento 2013

Congetturare e dimostrare

Esempi di rappresentazione dell’infinitoin arte, in matematica

{ 0, 1, 2, 3, 4, ... }= N

Comprendere l'infinito ha suscitato sempre interesse per argomentare dimostrazioni della sua esistenza.

E' difficile trovare un'idea che abbia stimolato la mente in modo altrettanto fruttuoso, tuttavia nessun altro concetto ha più bisogno di chiarificazione"

(D. Hilbert). 

La successione dei numeri naturali è il primo esempio di insieme infinito che si incontra in matematica ed, anche per questa ragione, riveste una particolare importanza quando si vuol argomentare sul concetto di infinito. Infatti è facile che i bambini della scuola Primaria percepiscano che a partire da un numero naturale qualsiasi n è sempre possibile trovarne il successivo n + 1.

Il concetto di infinito nella matematica moderna permette di considerare gli enti matematici non più singolarmente ,ma come oggetti di classi o collezioni o insiemi, che contengono elementi della stessa natura. La moderna teoria degli insiemi, è stata ideata dalla scuola di George Cantor, già alla fine del XIX secolo, per risolvere il problema di contare gli elementi di insiemi infiniti.

In particolare le idee di Cantor esemplificatel'equipotenza e corrispondenza biunivoca (Es. L'insieme dei punti di una retta e l’insieme N sono equipotenti perché è possibile stabilire un collegamento tra i due insiemi scegliendo una unità ed un punto di origine per suddividere la semiretta in intervalli di numero N)

Concetti di base:-un insieme è una collezione di oggetti, chiamati elementi dell'insieme.

http://www.dmi.unipg.it/iniziative/mostre/

-proprietà per definire un insieme di oggetti

-insiemi di oggetti matematici

- assioma o enunciato

Idee per formalizzare il contare o numerare.

Quando due insiemi sono uguali?due insiemi formati dagli stessi elementi sono uguali (Assioma di estensionalità)

Esiste un insieme privo di elementi?Un insieme che non ha elementi è vuoto (Assioma dell’insieme vuoto).

Rappresentare insiemi ugualimatematici e non

Due elementi possono formare un insieme?Se x e y sono insiemi formati rispettivamente da elementi unici, allora anche {x,y} è un insieme (Assioma della coppia).

Gli elementi di un insieme si possono riunire?Gli elementi di un insieme formano un insieme rappresentabile con un solo elemento (Assioma dell’unione )

Risposte concrete

Problemi L'insieme dei numeri dispari e equipotente all'insieme N?L'insieme dei multipli di 5 e equipotente all'insieme N?L'insieme dei numeri interi Z e equipotente all'insieme N?

A cura di Maria Angela Varone

Risposte formali

Dato un insieme di oggetti di natura qualsiasi ha senso porsi le domande:

“Quanti sono gli elementi di A?”

“A avrà più o meno elementi di un insieme B?”

“ Se Se A e B sono di numero finito è possibile associare un elemento di A con un elemento di B?

.

12

34

Dati due insiemi A e B, si dice che A è equipotente a B se è possibile stabilire una corrispondenza

biunivoca tra gli elementi di A e quelli di B.

Si dice che un insieme A è finito se è equipotente ad un insieme

dove n è l{1,2,3,4,…,n} N e si scrive

card A=card {1,2,3,4,…,n} =n

Se A è finito e B A allora Card B<Card A

Si dice che un insieme A ha la potenza del

numerabile se può essere messo in corrispondenza

biunivoca con l’insieme N

A: Insieme dei quadrati dei numeri naturali 14 9

16……….

12 3

4……….

N :Insieme dei numeri

naturali

ESEMPIO DI INSIEMI EQUIPOTENTI!

Quanti sono i numeri pari????

2 14 26 38 4… …

Numeri pari

N

L’insieme dei numeri pari ha la

potenza del numerabile

“Queste son di quelle difficoltà che derivano dal discorrere che noi facciamo intorno agli infiniti, dandogli quegli attributi che noi diamo alle cose finite e terminate; il che penso sia inconveniente, perché stimo che questi attributi di maggioranza, minorità o egualità non convenghino agl’i’nfiniti…”

(Galileo Galilei)

Quanti sono gli elementi di Q?Cantor ha dimostrato in maniera

ingegnosa che l’insieme dei razionali è numerabile

Data “la densità” dei razionali può sembrare impossibile che i due insiemi

abbiamo la “stessa dimensione”, ma Cantor dimostrò che basta “disporli e

contarli” nel modo seguente:

42

32

22

12

42

32

22

12

41

31

21

11

41

31

21

11

1 2

94 5

67

83

10

11

L’insieme numerico i cui elementi sono elencati nella tabella , a causa delle evidenti ripetizioni (1/1,2/2,…,1/2, 2/4,…) non rappresenta l’insieme Q , ma contiene più elementi di Q.Con il procedimento ideato da Cantor si dimostra che questo insieme “più grande” è numerabile, ma è facile concludere che anche Q è numerabile.

 Cantor dimostra anche, con un procedimento analogo che l’insieme NxN (insieme delle coppie) è numerabile.

Basta osservare il modo in cui sono disposte le coppie ordinate nella seguente

tabella e usare per contare le coppie il metodo a diagonale visto prima

2,21,20,2

2,11,10,1

2,01,00,01 2

94 5

67

83

10

11

La parte più “sconvolgente” del lavoro di Cantor, però è la dimostrazione del fatto che

non è possibile mettere in corrispondenza biunivoca

l’insieme dei numeri naturali e i punti della retta, cioè i

naturali con i reali.

Cantor inizia la dimostrazione supponendo che può esistere una corrispondenza fra l’insieme dei reali e quello dei naturali, ma tale supposizione porta ad una contraddizione, per cui la supposizione di partenza deve essere falsa e quindi una tale corrispondenza non può esistere.Un modo più semplice per affrontare la dimostrazione è quello di esaminare solo i reali compresi tra 0 e 1: se questo insieme di numeri reali ha più elementi dell’insieme dei naturali, anche l’insieme dei reali conterrà più elementi dell’insieme dei naturali.

10: xRxISiaSupponiamo per assurdo che gli elementi di I (numeri reali compresi fra 0 e 1) si possano mettere in corrispondenza biunivoca con i naturali per cui se indichiamo xi con gli elementi di I si avrà che

3332313

2322212

1312111

,0,0,0

aaaxaaaxaaax

90 ijadove

Costruiamo a questo punto un numero y così fatto:

1119

,0 321kkk

kkk

asebaseb

conbbby

sicuramente

Iy e inoltre Nixy i perché ha almeno una cifra diversa da ogni xi

Quindi è assurdo aver supposto che tutti i reali compresi tra zero e uno possono essere messi in corrispondenza con i naturali.

 

La cardinalità di I si chiama potenza del continuo.Per cui se un insieme ha la potenza del continuo presenta un livello di infinito diverso rispetto a quello di un insieme che ha la potenza del numerabile, è come se fosse un livello ‘infinito più elevato’.

E’ facile dimostrare che ogni intervallo aperto a,bR ha la potenza del continuo.La figura mostra come ad ogni punto dell’intervallo 0,1 si può far corrispondere un punto dell’intervallo a,b (la corrispondenza è biunivoca) 

0 1

a b

P

A

A’

A A’

 Con un’altra figura possiamo vedere come si può realizzare la corrispondenza biunivoca tra i punti di un intervallo ]a,b[ R e la retta reale

a

b

2ba

P

QProiettando da P i punti dell’intervallo verticale

mentre proiettando da Q i punti di

2, baa

bba ;2

otteniamo i reali non negativi,

si ottengono i reali negativi.

La rivoluzione di Cantor sta nell’aver rilevato che anche nel caso di insiemi infiniti ha senso parlare del numero di elementi ( proprio come nel caso di insiemi finiti) e che esistono almeno due tipi di infinito. Il primo tipo, l’infinità dei numeri naturali, viene detta 0(potenza del numerabile) , il secondo tipo di infinità è quello rappresentato da tutti i punti di un segmento e la sua cardinalità è indicata con 1(potenza del continuo). Ha la cardinalità del continuo l’insieme dei reali e Cantor dimostrò anche che ha la cardinalità del continuo l’insieme dei punti di un qualsiasi rettangolo nel piano e anche ogni cubo dello spazio.

Il successivo passo di Cantor fu quello di considerare l’insieme dei possibili sottoinsiemi di un insieme: l’insieme potenza.Ricordiamo con un esempio il concetto di insieme potenza nel caso finito. Dato

,,,,,,,,,,,,, cbacbcabacbaAcbaA

Ricordiamo che se Card A= n allora Card p(A)=2n

infatti nel nostro caso Card A= 3 implica Card p(A)=23=8

Cantor riuscì a dimostrare che se A è infinito non è mai equipotente ad A .

In particolare se l’insieme in questione è l’insieme dei numeri naturali Cantor dimostrò che ha la potenza del continuo.A questo punto Cantor si chiese:esiste un insieme infinito la cui cardinalità sia compresa tra quella del numerabile e quella del continuo?Tentò per anni di dare una risposta cercando un insieme che avesse tale caratteristica, ma invano.Concluse , anzi suppose che un insieme con tale caratteristica non esiste.

Questo problema lasciato aperto da Cantor è noto come l’ipotesi del continuo.

“La mia teoria si regge salda come una roccia; ogni freccia diretta contro di essa ritornerà rapidamente a chi l’ha lanciata . Come lo so? Perché l’ho studiata sotto tutti gli aspetti per molti anni, perché ho esaminato tutte le obiezioni che siano mai state mosse contro i numeri infiniti e soprattutto perché l’’ho seguita fino alle sue radici, per così dire, fino alla prima causa infallibile di tutto il creato”.

(G.Cantor)

Rappresentare insiemi equipotenti

Articolo di Gabriele Lolli su momenti di svolta sul pensiero matematico

Test Gioiamathesis (tratti da edizione 2008) per suggerimenti didattici finalizzati a determinare i concetti di- proprietà-corrispondenza-insiemi equipotenti -unione di insiemi numerabili

Fig. 2

Test - Scatola del teVolendo riporre in una scatola da te (fig.2) almeno 10 bustine di te di sei qualità diverse, quali quantità sono possibili per ciascuna qualità?

La ricerca del moto perpetuo è finora rimasta una storia senza lieto fine , ma

l’immaginario creativo continua a farne pensare l’esistenza.