Pole či nepole

Moderators: Martin Sleziak, Ludovit_Balko, Martin Niepel, Tibor Macko

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5522
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Pole či nepole

Post by Martin Sleziak »

Tvorí zadaná podmnožina množiny $\mathbb R$ (spolu s obvyklým sčitovaním a násobením reálnych čísel) pole? Svoje tvrdenie zdôvodnite.$\newcommand{\inv}[1]{{#1}^{-1}}\newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert}\newcommand{\absl}[1]{\left\lvert#1\right\rvert}\newcommand{\Z}{\mathbb Z}\newcommand{\Q}{\mathbb Q}\newcommand{\R}{\mathbb R}\newcommand{\Lra}{\Leftrightarrow}$
  • $F_1=\{a+b\sqrt5; a\in\Z, b\in\Z\}$
  • $F_2=\{a+b\sqrt5; a\in\Z, b\in\Q\}$
  • $F_3=\{a+b\sqrt5; a\in\Q, b\in\Z\}$
  • $F_4=\{a+b\sqrt5; a\in\R, b\in\R\}$


Na cvičení sme ukázali, že ak by sme zobrali podobnú množinu s $a,b\in\Q$, tak dostaneme pole. Tu je aj starší topic, kde sa dá pozrieť na takúto úlohu: https://msleziak.com/forum/viewtopic.php?t=84
Martin Sleziak
Posts: 5522
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

$F_{1,2,3}$ nie sú polia

Post by Martin Sleziak »

$F_{1,2,3}$ nie sú polia$\newcommand{\inv}[1]{{#1}^{-1}}\newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert}\newcommand{\absl}[1]{\left\lvert#1\right\rvert}\newcommand{\Z}{\mathbb Z}\newcommand{\Q}{\mathbb Q}\newcommand{\R}{\mathbb R}\newcommand{\Lra}{\Leftrightarrow}$

Pripomeniem, že platí takáto vec (nazvime ju lemou - dá sa na to pozerať ako na jednoduché pomocné tvrdenie):
Lema. Ak $a,b\in\Q$ tak platí
\begin{gather*}
a+b\sqrt5=0 \qquad\Lra\quad a=b=0\\
a+b\sqrt5=a'+b'\sqrt5 \qquad\Lra\quad a=a' \land b=b'\\
\end{gather*}

Toto sme odvodili na cvičení. (Robili sme tam takéto niečo pre $\sqrt2$, ale ľahko zistíte, že presne rovnaký argument zafunguje pre $\sqrt5$.)
Zdôvodnenie pre $\sqrt2$ sa dá nájsť tu: https://msleziak.com/forum/viewtopic.php?t=84

Čakal som, že takéto aspoň spomeniete, ak ho v riešení používate. (Aj keď tým, že sme ho už raz zdôvodnili na cviku, by som bez problémov akceptoval, ak by ste to prehlásili ako fakt bez akéhokoľvek dôkazu.)

S použitím tohoto tvrdenia už ľahko vidíme, že $F_1$, $F_2$ ani $F_3$ nie je pole.
  • Máme $2\in F_2$, teda ak by to bolo pole, tak by do $F_2$ muselo patriť aj číslo $\frac12$. Teda by sme mali rovnosť
    $$\frac12=a+b\sqrt5$$
    pre nejaké $a\in\mathbb Z$ a $b\in\mathbb Q$. Z našej lemy vidíme, že to by znamenalo $a=\frac12$. To je spor s predpokladom, že $a$ je celé číslo.
  • Máme $\sqrt5\in F_3$, a teda ak by to bolo pole, tak by sme mali aj $\frac1{\sqrt5}=\frac15\sqrt5\in F_3$, čiže by sme mali
    $$\frac15\sqrt5=a+b\sqrt5,$$
    pričom $a\in\Q$, $b\in\Z$. Z toho dostaneme $b=\frac15$, čo je spor.
Pre $F_1$ vieme presne rovnakým spôsobom skontrolovať, že $F_1$ neobsahuje ani $\frac12$ ani $\frac1{\sqrt5}$.

Iné možné riešenie pre $F_2$ aj $F_3$ je ukázať, že tieto množiny nie sú uzavreté na súčin. (Takýto prístup ste niektorí z vás zvolili.)

Komentáre k niektorým riešeniam
V úlohe o $F_1$ som našiel takýto argument:
Ak $\abs{a+b\sqrt5}>1$ vtedy $$\absl{\frac1{a+b\sqrt5}}.$$
Máme $\abs{\inv{(a+b\sqrt5)}}<1$, čo znamená, že $\inv{(a+b\sqrt5)}\notin\Z$. Teda $F_1$ nie je pole.
Toto nie je správny argument. Nejako ste zdôvodnili, že číslo $\frac1{a+b\sqrt5}$ nepatrí do $\Z$. Vy však potrebujete nejako zdôvodniť, že nepatrí do $F_1$. Teda vlastne sa pýtate, či sa dá vyjadriť v tvare $$\frac1{a+b\sqrt5}=c+d\sqrt5$$ pre nejaké celé čísla $c$, $d$.
Fakt, že toto číslo je v absolútnej hodnote menšie ako $1$, ešte nestačí na zdôvodnenie, že ho nevieme takto vyjadriť. V $F_2$ máme veľa čísel, ktoré majú absolútnu hodnotu.
Napríkad z nerovnosti $2<\sqrt 5<3$ hneď vidíme, že $$0<-2+\sqrt5<1,$$
teda $x=-2+\sqrt5$ je príklad čísla, ktoré súčasne spĺňa $x\in F_1$ aj $\abs x<1$.

Viacerí ste overovali niektoré vlastnosti poľa. To nebolo treba do riešenia písať.
Ak tvrdíte, že to nie je pole, tak stačilo napísať vlastnosť, ktorá neplatí - a zdôvodniť, že naozaj neplatí.
(Aj keď rozumiem, že možno niektorí ste začali postupne prechádzať vlastnosti poľa - s tým, že buď sa vám podarí všetky overiť, alebo narazíte na nejakú, ktorá neplatí.)
Martin Sleziak
Posts: 5522
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

$F_4$ je len inak zapísaná množina reálnych čísel.

Post by Martin Sleziak »

$F_4$ je len inak zapísaná množina reálnych čísel.$\newcommand{\inv}[1]{{#1}^{-1}}\newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert}\newcommand{\absl}[1]{\left\lvert#1\right\rvert}\newcommand{\Z}{\mathbb Z}\newcommand{\Q}{\mathbb Q}\newcommand{\R}{\mathbb R}\newcommand{\Lra}{\Leftrightarrow}$
Máme zadané $F_4=\{a+b\sqrt5; a\in\R, b\in\R\}$. Je jasné, že $F_4\subseteq\R$.
Súčasne, každé $a\in\mathbb R$ sa dá zapísať ako $a+0\cdot\sqrt5$. Teda platí aj $\R\subseteq F_4$.
Ak sme si toto uvedomili, tak celá úloha je len otázka, či $\R$ je pole - a toto vieme, že platí.

Komentáre k niektorým riešeniam
Niektorí z vás postupne overovali všetky vlastnosti poľa. Ak ste to urobili správne, tak som to uznal - aj keď vlastne sa stačilo odvolať na to, že $\R$ je pole (ak ste si uvedomili, že $F_4=\R$.)

Vyskytli sa aj chybné riešenia.
Napríklad ak napíšte niečo takéto, tak to nie je zdôvodnenie komutatívnosti resp. asociatívnosti sčitovania.
\begin{gather*}
a+b\sqrt5=b+a\sqrt5\\
(a+b\sqrt5)+c\sqrt5=(a+b\sqrt5)+c\sqrt5
\end{gather*}
Ak by som chcel naozaj použiť takéto zápisy, tak pri komutatívnosti a asociatívnosti by som mal:
\begin{gather*}
(a+b\sqrt5)+(c+d\sqrt5)=(c+d\sqrt5)+(a+b\sqrt5)\\
[(a+b\sqrt5)+(c+d\sqrt5)]+(e+f\sqrt5)=(a+b\sqrt5)+[(c+d\sqrt5)+(e+f\sqrt5)]
\end{gather*}
Mohol by som to robiť takto - poupravovať obe strany a porovnať. Znamenalo by to ale, že zbytočne komplikovane robím niečo, čo je oveľa jednoduchšie.
Už sme si viackrát spomenuli, že vlastnosti takéhoto tvaru (ako komutatívnosť, asociatívnosť distributívnosť) sa zdedia z väčšej množiny na menšiu.
Post Reply