Eine Menge, d. h. Gesamtheit, von Dingen, natürliche Zahlen genannt, mit den nachher aufzuzählenden Eigenschaften, Axiome genannt.
Vor der Formulierung der Axiome sei einiges in bezug auf die benutzten Zeichen = und = vorangeschickt.
Kleine lateinische Buchstaben bedeuten in diesem Buch, wenn nichts anderes gesagt wird, durchweg natürliche Zahlen.
Ist x gegeben und y gegeben, so sind
entweder x und y dieselbe Zahl; das kann man auch
x=y
schreiben (= sprich: gleich);
oder x und y nicht dieselbe Zahl; das kann man auch
x=y
schreiben (= sprich: ungleich).
Hiernach gilt aus rein logischen Gründen:
x=x für jedes x.
Aus
x=y
folgt
y=x.
Aus
x=y,y=z
folgt
x=z.
Eine Schreibweise wie
a=b=c=d,
mit der zunächst nur
a=b,b=c,c=d
gemeint ist, enthält also überdies z. B.
a=c,a=d,b=d.
(Entsprechend in den späteren Kapiteln.)
Von der Menge der natürlichen Zahlen nehmen wir nun an, daß sie die Eigenschaften hat:
Axiom 1: 1 ist eine natürliche Zahl.
D. h. unsere Menge ist nicht leer; sie enthält ein Ding, das 1 (sprich: Eins) heißt.
Axiom 2: Zu jedem x gibt es genau eine natürliche Zahl, die der Nachfolger von x heißt und mit x′ bezeichnet werden möge.
Bei komplizierten x wird die Zahl, um deren Nachfolger es sich handelt, eingeklammert, wenn sonst ein Mißverständnis zu befürchten ist. Entsprechendes gilt im ganzen Buch bei x+y, xy, x−y, −x, xy u. dgl.
Aus
x=y
folgt also
x′=y′.
Axiom 3: Stets ist
x′=1.
D. h. es gibt keine Zahl mit dem Nachfolger 1.
Axiom 4: Aus
x′=y′
folgt
x=y.
D. h. zu jeder Zahl gibt es keine oder genau eine, deren Nachfolger jene Zahl ist.
Axiom 5 (Induktionsaxiom): Es sei M eine Menge natürlicher Zahlen mit den Eigenschaften:
I) 1 gehört zu M.
II) Wenn x zu M gehört, so gehört x′ zu M.
Dann umfaßt M alle natürlichen Zahlen.
§ 2. Addition
Satz 1: Aus
x=y
folgt
x′=y′.
Beweis: Sonst wäre
x′=y′,
also nach Axiom 4
x=y.
Satz 2:
x′=x.
Beweis:M sei die Menge der x, für die dies gilt.
I) Nach Axiom 1 und Axiom 3 ist
1′=1;
also gehört 1 zu M.
II) Ist x zu M gehörig, so ist
x′=x,
also nach Satz 1
(x′)′=x′,
also x′ zu M gehörig.
Nach Axiom 5 umfaßt also M alle natürlichen Zahlen; d. h. für jedes x ist
x′=x.
Satz 3: Ist
x=1,
so gibt es ein (also nach Axiom 4 genau ein) u mit
x=u′.
Beweis:M sei die Menge, die aus der Zahl 1 und denjenigen x besteht, zu denen es ein solches u gibt. (Von selbst ist jedes derartige
x=1
nach Axiom 3.)
I) 1 gehört zu M.
II) Ist x zu M gehörig, so ist, wenn unter u die Zahl x verstanden wird,
x′=u′,
also x′ zu M gehörig.
Nach Axiom 5 umfaßt also M alle natürlichen Zahlen; zu jedem
x=1
gibt es also ein u mit
x=u′.
Satz 4, zugleich Definition 1: Auf genau eine Art läßt sich jedem Zahlenpaar x, y eine natürliche Zahl, x+y genannt (+ sprich: plus), so zuordnen, daß
x+1=x′ für jedes x,
x+y′=(x+y)′ für jedes x und jedes y.
x+y heißt die Summe von x und y oder die durch Addition von y zu x entstehende Zahl.
Beweis: A) Zunächst zeigen wir, daß es bei jedem festen x höchstens eine Möglichkeit gibt, x+y für alle y so zu definieren, daß
x+1=x′
und
x+y′=(x+y)′fu¨r jedes y.
Es seien ay und by für alle y definiert und so beschaffen, daß
ay′=(ay)′,by′=(by)′fu¨r jedes y.
M sei die Menge der y mit
ay=by.
I)
a1=x′=b1;
1 gehört also zu M.
II) Ist y zu M gehörig, so ist
ay=by,
also nach Axiom 2
(ay)′=(by)′,
also
ay′=(ay)′=(by)′=by′,
also y′ zu M gehörig.
Daher ist M die Menge aller natürlichen Zahlen; d. h. für jedes y ist
ay=by.
B) Wir zeigen jetzt, daß es zu jedem x eine Möglichkeit gibt, x+y für alle y so zu definieren, daß
x+1=x′
und
x+y′=(x+y)′fu¨r jedes y.
M sei die Menge der x, zu denen es eine (also nach A) genau eine) solche Möglichkeit gibt.
I) Für
x=1
leistet
x+y=y′
das Gewünschte. Denn
x+1=1′=x′,x+y′=(y′)′=(x+y)′.
Also gehört 1 zu M.
II) Es sei x zu M gehörig, also ein x+y für alle y vorhanden. Dann leistet
x′+y=(x+y)′
das Gewünschte bei x′. Denn
x′+1=(x+1)′=(x′)′
und
x′+y′=(x+y′)′=((x+y)′)′=(x′+y)′.
Also gehört x′ zu M.
Daher umfaßt M alle x.
Satz 5 (assoziatives Gesetz der Addition):
(x+y)+z=x+(y+z).
Beweis:x und y seien fest, M die Menge der z, für die die Behauptung gilt.
I)
(x+y)+1=(x+y)′=x+y′=x+(y+1);
also gehört 1 zu M.
II) z gehöre zu M. Dann ist
(x+y)+z=x+(y+z),
also
(x+y)+z′=((x+y)+z)′=(x+(y+z))′=x+(y+z)′=x+(y+z′),
also z′ zu M gehörig.
Die Behauptung gilt also für alle z.
Satz 6 (kommutatives Gesetz der Addition):
x+y=y+x.
Beweis:y sei fest, M die Menge der x, für die die Behauptung gilt.
I) Es ist
y+1=y′
und nach der Konstruktion beim Beweise des Satzes 4
1+y=y′,
also
1+y=y+1,
1 zu M gehörig.
II) Ist x zu M gehörig, so ist
x+y=y+x,
also
(x+y)′=(y+x)′=y+x′.
Nach der Konstruktion beim Beweise des Satzes 4 ist
x′+y=(x+y)′,
also
x′+y=y+x′,
also x′ zu M gehörig.
Die Behauptung gilt also für alle x.
Satz 7:
y=x+y.
Beweis:x sei fest, M die Menge der y, für die die Behauptung gilt.
I)
1=x+1;
1 gehört zu M.
II) Ist y zu M gehörig, so ist
y=x+y,
also
y′=(x+y)′,y′=x+y′,
y′ zu M gehörig.
Die Behauptung gilt also für alle y.
Satz 8: Aus
y=z
folgt
x+y=x+z.
Beweis: Bei festen y, z mit
y=z
sei M die Menge der x mit
x+y=x+z.
I)
y′=z′,1+y=1+z;
1 gehört also zu M.
II) Ist x zu M gehörig, so ist
x+y=x+z,
also
(x+y)′=(x+z)′,x′+y=x′+z,
x′ zu M gehörig.
Also gilt die Behauptung stets.
Satz 9: Sind x und y gegeben, so liegt genau einer der Fälle vor:
x=y.
Es gibt ein (also nach Satz 8 genau ein) u mit
x=y+u.
Es gibt ein (also nach Satz 8 genau ein) v mit
y=x+v.
Beweis: A) Nach Satz 7 sind 1), 2) unverträglich und 1), 3) unverträglich. Aus Satz 7 folgt auch die Unverträglichkeit von 2), 3); denn sonst wäre
x=y+u=(x+v)+u=x+(v+u)=(v+u)+x.
Also liegt höchstens einer der Fälle 1), 2), 3) vor.
B) x sei fest, M die Menge der y, für die einer (also nach A) genau einer) der Fälle 1), 2), 3) vorliegt.
I) Für y=1 ist nach Satz 3 entweder
x=1=y(Fall 1))
oder
x=u′=1+u=y+u(Fall 2)).
Daher gehört 1 zu M.
II) Es gehöre y zu M. Dann ist
entweder (Fall 1) bei y)
x=y,
also
y′=y+1=x+1(Fall 3) fu¨r y′);
oder (Fall 2) bei y)
x=y+u,
also, wenn
u=1,x=y+1=y′(Fall 1) fu¨r y′);
wenn
u=1,
nach Satz 3
u=w′=1+w,x=y+(1+w)=(y+1)+w=y′+w(Fall 2) fu¨r y′);
oder (Fall 3) bei y)
y=x+v,
also
y′=(x+v)′=x+v′(Fall 3) fu¨r y′).
Jedenfalls gehört also y′ zu M.
Daher liegt stets einer der Fälle 1), 2), 3) vor.
§ 3. Ordnung
Definition 2: Ist
x=y+u,
so ist
x>y.
(> sprich: größer als.)
Definition 3: Ist
y=x+v,
so ist
x<y.
(< sprich: kleiner als.)
Satz 10: Sind x, y beliebig, so liegt genau einer der Fälle
x=y,x>y,x<y
vor.
Beweis: Satz 9, Definition 2 und Definition 3.
Satz 11: Aus
x>y
folgt
y<x.
Beweis: Beides besagt
x=y+u
bei passendem u.
Satz 12: Aus
x<y
folgt
y>x.
Beweis: Beides besagt
y=x+v
bei passendem v.
Definition 4:
x≧y
bedeutet
x>yoderx=y.
(≧ sprich: größer oder gleich.)
Definition 5:
x≦y
bedeutet
x<yoderx=y.
(≦ sprich: kleiner oder gleich.)
Satz 13: Aus
x≧y
folgt
y≦x.
Beweis: Satz 11.
Satz 14: Aus
x≦y
folgt
y≧x.
Beweis: Satz 12.
Satz 15 (Transitivität der Ordnung): Aus
x<y,y<z
folgt
x<z.
Vorbemerkung: Aus
x>y,y>z
folgt also (wegen
z<y,y<x,z<x)x>z;
aber solche trivialerweise durch Rückwärtslesen entstehenden Wortlaute schreibe ich in der Folge nicht erst auf.
Beweis: Bei passenden v, w ist
y=x+v,z=y+w,
also
z=(x+v)+w=x+(v+w),x<z.
Satz 16: Aus
x≦y,y<zoderx<y,y≦z
folgt
x<z.
Beweis: Mit dem Gleichheitszeichen in der Voraussetzung klar; sonst durch Satz 15 erledigt.
Satz 17: Aus
x≦y,y≦z
folgt
x≦z.
Beweis: Mit zwei Gleichheitszeichen in der Voraussetzung klar; sonst durch Satz 16 erledigt.
Nach den Sätzen 15 bis 17 ist eine Schreibweise wie
Beweis: Folgt aus Satz 19, da die drei Fälle beide Male sich ausschließen und alle Möglichkeiten erschöpfen.
Satz 21: Aus
x>y,z>u
folgt
x+z>y+u.
Beweis: Nach Satz 19 ist
x+z>y+z
und
y+z=z+y>u+y=y+u,
also
x+z>y+u.
Satz 22: Aus
x≧y,z>uoderx>y,z≧u
folgt
x+z>y+u.
Beweis: Mit dem Gleichheitszeichen in der Voraussetzung durch Satz 19, sonst durch Satz 21 erledigt.
Satz 23: Aus
x≧y,z≧u
folgt
x+z≧y+u.
Beweis: Mit zwei Gleichheitszeichen in der Voraussetzung klar; sonst durch Satz 22 erledigt.
Satz 24:
x≧1.
Beweis: Entweder ist
x=1
oder
x=u′=u+1>1.
Satz 25: Aus
y>x
folgt
y≧x+1.
Beweis:
y=x+u,u≧1,
also
y≧x+1.
Satz 26: Aus
y<x+1
folgt
y≦x.
Beweis: Sonst wäre
y>x,
also nach Satz 25
y≧x+1.
Satz 27: In jeder nicht leeren Menge natürlicher Zahlen gibt es eine kleinste (d. h. eine, die kleiner ist als jede etwaige andere).
Beweis:N sei die gegebene Menge. M sei die Menge der x, die ≦ jeder Zahl aus N sind.
1 gehört zu M nach Satz 24. Nicht jedes x gehört zu M; denn für jedes y aus N gehört y+1 nicht zu M, wegen
y+1>y.
Also gibt es in M ein m, so daß m+1 nicht zu M gehört; denn sonst müßte nach Axiom 5 jede natürliche Zahl zu M gehören.
Von jenem m behaupte ich, daß es ≦ jedem n aus N ist und zu N gehört. Ersteres steht schon fest. Letzteres folgt indirekt so: Wäre m nicht zu N gehörig, so wäre für jedes n aus N
m<n,
also nach Satz 25
m+1≦n;
m+1 würde also zu M gehören, gegen das Obige.
§ 4. Multiplikation
Satz 28, zugleich Definition 6: Auf genau eine Art läßt sich jedem Zahlenpaar x, y eine natürliche Zahl, x⋅y genannt (⋅ sprich: mal; aber man schreibt den Punkt meist nicht), so zuordnen, daß
x⋅1=x für jedes x,
x⋅y′=x⋅y+x für jedes x und jedes y.
x⋅y heißt das Produkt von x mit y oder die durch Multiplikation von x mit y entstehende Zahl.
Beweis (mutatis mutandis wörtlich mit dem des Satzes 4 übereinstimmend): A) Zunächst zeigen wir, daß es bei jedem festen x höchstens eine Möglichkeit gibt, xy für alle y so zu definieren, daß
x⋅1=x
und
xy′=xy+xfu¨r jedes y.
Es seien ay und by für alle y definiert und so beschaffen, daß
a1=x,b1=x,ay′=ay+x,by′=by+xfu¨r jedes y.
M sei die Menge der y mit
ay=by.
I)
a1=x=b1;
1 gehört also zu M.
II) Ist y zu M gehörig, so ist
ay=by,
also
ay′=ay+x=by+x=by′,
also y′ zu M gehörig.
Daher ist M die Menge aller natürlichen Zahlen; d. h. für jedes y ist
ay=by.
B) Wir zeigen jetzt, daß es zu jedem x eine Möglichkeit gibt, xy für alle y so zu definieren, daß
x⋅1=x
und
xy′=xy+xfu¨r jedes y.
M sei die Menge der x, zu denen es eine (also nach A) genau eine) solche Möglichkeit gibt.
I) Für
x=1
leistet
xy=y
das Gewünschte. Denn
x⋅1=1=x,xy′=y′=y+1=xy+x.
Also gehört 1 zu M.
II) Es sei x zu M gehörig, also ein xy für alle y vorhanden. Dann leistet