Hay una relación entre [matemática] + [/ matemática] y [matemática] \ veces [/ matemática] y entre las funciones [matemática] \ veces [/ matemática] y x [matemática] ^ y [/ matemática] en mi calculadora. ¿Cómo se llama esa relación?

La gente le ha dado mucha buena información aquí sobre las estructuras (anillos) involucradas, pero creo que el término principal que está buscando aquí es “isomorfismo”.

Básicamente, los reales (o los racionales …) son un grupo abeliano además. Los reales positivos forman un grupo abeliano bajo multiplicación. Hay un isomorfismo entre los dos grupos, que dice que siempre y cuando se limite solo a la estructura de suma (multiplicación) antes (después) de la transformación, los dos conjuntos tienen * exactamente el mismo comportamiento *.

Combine esto con el hecho de que puede definir la “suma” repetida (realmente, la aplicación de la operación grupal) en cualquier elemento de cualquier grupo, y verá que desde el punto de vista de este isomorfismo, la multiplicación y la exponenciación * son lo mismo. *. Solo son aplicaciones repetidas de la misma operación, comenzando por la identidad.

Hice estos como grupos porque esto también se relaciona con la noción de inverso. En los grupos aditivos, también tenemos la noción de que para cada a, hay otro elemento (o posiblemente el mismo), “-a”, de modo que a + (- a) = 0. La expresión aa solo significa algo debido a los axiomas del grupo, lo que significa que puede traducirlo sin ambigüedades a un + (- a). La misma estructura exacta en un grupo multiplicativo es la inversión, cada elemento a tiene un ^ (- 1) tal que a * a ^ (- 1) = 1.

La verdadera pregunta es, ¿qué tienen en común la suma y la multiplicación? Ambos son ejemplos de un monoide. Un monoide es un conjunto (aquí, conjunto de números) con un operador binario (aquí más o veces) que es asociativo y tiene una unidad (aquí, cero o uno, respectivamente). Es la asociatividad la que te permite definir potencias iterando tu operador binario. Sin asociatividad, [math] (a + a) + a [/ math] sería diferente de [math] a + (a + a) [/ math]. La asociatividad le permite eliminar los paréntesis y escribir [matemática] a + a + a [/ matemática] y definir una notación abreviada para ello: [matemática] 3 \ veces a [/ matemática]. Lo mismo ocurre con [math] a \ times a \ times a [/ math] como [math] a ^ 3 [/ math].

Ahora, el hecho de que la primera [matemática] \ veces [/ matemática] es la misma que la segunda [matemática] \ veces [/ matemática] es la consecuencia de los números que forman un anillo. Un anillo combina la suma con la multiplicación e introduce la ley distributiva: [math] (a + b) \ times c = a \ times c + b \ times c [/ math]. En particular, considere esto:

[matemáticas] 2 \ veces 3 = (1 + 1) \ veces 3 = 1 \ veces 3 + 1 \ veces 3 = 3 + 3 [/ matemáticas]

Muestra la forma de demostrar que la multiplicación, aquí [matemáticas] 2 \ por 3 [/ matemáticas], es equivalente a la suma iterada, [matemáticas] 3 + 3 [/ matemáticas].

Pero hay ejemplos de monoides que no forman parte de un anillo. Por ejemplo, tome la concatenación de cadenas como su operador binario. Es asociativo y tiene una unidad: una cadena vacía. El tercer poder de “la” es “lalala” .

En cuanto a su segunda pregunta, la resta es posible porque los números con suma forman un grupo. En un grupo, cada elemento tiene el inverso (observe que las cadenas con concatenación no forman un grupo). La resta es una abreviatura para sumar el inverso. Del mismo modo, la división es la abreviatura para multiplicar por el inverso (con la advertencia de que no hay inverso de cero).

En 1915, Albert A. Bennet publicó su trabajo, “Nota sobre una operación del tercer grado”. En él, utilizó el término “calificación” para ordenar la suma, multiplicación y exponenciación. Usando la terminología de Bennet, [matemáticas] + [/ matemáticas] tiene “calificación” uno menos que [matemáticas] \ veces [/ matemáticas] y [matemáticas] \ veces [/ matemáticas] tiene una calificación menos que [matemáticas] x ^ y [ /matemáticas]

En 1928, Ackermann definió una función, [matemática] \ varphi (a, b, n) [/ matemática] en la cual [matemática] n [/ matemática] podría proporcionar una definición de calificación. [math] \ varphi [/ math] se define completamente en términos de [math] + [/ math], algunos enteros y sí mismo. La función tiene las propiedades:

[matemáticas] \ varphi (a, b, 0) = a + b \! \\\ varphi (a, b, 1) = a \ cdot b \! \\\ varphi (a, b, 2) = a ^ b [/ matemáticas]

La definición de Ackermann de [matemáticas] \ varphi (a, b, n) [/ matemáticas] para enteros no negativos:

[matemáticas] \ varphi (a, b, 0) = a + b \, \! \\\ varphi (a, 0, 1) = 0 \, \! \\\ varphi (a, 0, 2) = 1 \, \! \\\ varphi (a, 0, n + 3) = a \, \! \\\ varphi (a, b + 1, n + 1) = \ varphi (a, \ varphi (a, b , n + 1), n). [/ matemáticas]

Más tarde, en un artículo de 1947, RL Goodstein hizo algunos ajustes a la función de Ackermann, lo que resultó en dos cambios de importancia. Goodstein aumentó el valor de grado para que el grado 0 fuera la función sucesora (y la suma se convirtió en grado 1). Goodstein definió [math] G (k, a, n) [/ math] para tener propiedades muy parecidas a [math] \ varphi [/ math]:

[matemáticas] G (0, a, n) = n + 1 \, \! \\ G (1, a, n) = a + n \, \! \\ G (2, a, n) = a \ cdot b \, \! \\ G (3, a, n) = a ^ n [/ math]

Aquí está la definición de Goodstein de [matemáticas] G (k, a, n) [/ matemáticas] similar a [matemáticas] \ varphi (a, n, k) [/ matemáticas]:

[matemáticas] G (0, a, n) = n + 1 \! \\ G (1, a, 0) = a \! \\ G (2, a, 0) = 0 \! \\ G (k + 3, a, 0) = 1 \! \\ G (k + 1, a, n + 1) = G (k, a, G (k + 1, a, n)) [/ matemática]

Cuando [math] k = 0 [/ math], [math] G [/ math] es [math] sucesor [/ math]. Para [matemática] k = 1 [/ matemática] es [matemática] suma [/ matemática] …

En este punto, averigüe sobre “Hiperoperaciones” (el término actual para el trabajo de Bennet, Ackermann y Goodstein). Ayudará con este último párrafo:

El segundo cambio es que Goldstein no define [matemáticas] a [/ matemáticas] como la condición inicial para la calificación por encima de la exponenciación. Omitir esta condición inicial da como resultado la igualdad. [matemáticas] \ varphi (a, b, 3) = G (4, a, b + 1) [/ matemáticas]. El significado de [math] b + 1 [/ math] en la expresión anterior es que [math] \ varphi (a, b, 3) = a ^ {a ^ {\ cdot ^ {\ cdot ^ {\ cdot ^ {a}}}}} \, \! [/ math], donde [math] b [/ math] cuenta el número de operadores (exponenciaciones), en lugar de contar el número de operandos ([math] a [/ math] ‘s).

Cronograma

El primero se llama distributividad. Es el caso porque [math] \ mathbb {R} [/ math] es un anillo. También es un campo.

El segundo proviene del hecho de que la función exponencial es un homomorfismo entre [math] (\ mathbb {R}, +) [/ math] y [math] ([/ math] [math] \ mathbb {R}, *) [/ math] junto con distributividad.

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