自然しぜんすう

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自然しぜんすう(しぜんすう、えい: natural number)とは、個数こすうもしくは順番じゅんばんあらわ一群いちぐんかずのことである。集合しゅうごうろんにおいては、自然しぜんすうもの個数こすうかぞえる基数きすうのうちで有限ゆうげんのものであるとかんがえることもできるし、ものならかたしめ順序じゅんじょすうのうちで有限ゆうげんのものであるとかんがえることもできる。

自然しぜんすう1, 2, 3, … とする流儀りゅうぎと、0, 1, 2, 3, … とする流儀りゅうぎがあり、前者ぜんしゃかずろんなどでよく使つかわれ、後者こうしゃ集合しゅうごうろん論理ろんりがくなどでよく使つかわれる(くわしくは#自然しぜんすう歴史れきしれい地位ちいふし参照さんしょう)。日本にっぽんでは高校こうこう教育きょういく課程かていにおいては0をれないが、大学だいがく以降いこうでは0をふくめることもおおい(より正確せいかくには、代数だいすうがくでは0をふくめ、解析かいせきがくでは除外じょがいすることがおおい)。いずれにしても、0 を自然しぜんすうふくめるかどうかが問題もんだいになるときは、そのむね明記めいきする必要ひつようがある。自然しぜんすうわりに前者ぜんしゃせい整数せいすう後者こうしゃ非負ひふ整数せいすうといいかえることによりこの問題もんだいけることもある。

数学すうがく基礎きそにおいては、自然しぜんすうあいだ加法かほうについての形式けいしきてきぎゃくもとかんがえることによって整数せいすう定義ていぎする。せい整数せいすうないしはまけでない整数せいすう自然しぜんすう同一どういつし、自然しぜんすう整数せいすう一部いちぶとして取扱とりあつかうことができる。自然しぜんすう同様どうよう整数せいすう全体ぜんたい可算かさん無限むげん集合しゅうごうである。

なお、文脈ぶんみゃくによっては、その一群いちぐんぞくする個々ここかずたとえば 3 や 18)をして自然しぜんすうということもある。

自然しぜんすう整数せいすう有理数ゆうりすう実数じっすう実数じっすう複素数ふくそすう)にふくまれる。

記法きほう[編集へんしゅう]

自然しぜんすう全体ぜんたい集合しゅうごう普通ふつう Natural number の頭文字かしらもじをとって N または あらわされる。

0 をふくむかどうかの曖昧あいまいさをけるために、せい整数せいすう(0 をふくまない)をつぎのようにあらわすこともある:

  • N+ () または N+ ()
  • Z+ () または Z+ () または Z> 0 ()

また、非負ひふ整数せいすう(0 をふくむ)をあらわすのに、つぎ記法きほう使つかわれることもある:

  • N0 () または N0 ()
  • Z+0 () または Z≥ 0 ()
  • Z+ () または Z+ () はこちらの意味いみでも使つかわれる

自然しぜんすう歴史れきしれい地位ちい[編集へんしゅう]

自然しぜんすうは「ものをかぞえる言葉ことば」を起源きげんとし、1 からはじまるせいかずであったと推定すいていされている。文明ぶんめいこり、数字すうじかんがされたとき、ローマ数字すうじギリシア数字すうじエジプト数字すうじ、バビロニア数字すうじマヤ数字すうじかん数字すうじひとしのどれもが1からはじまるせい数字すうじであった。つまり、「ものがある」という概念がいねん量的りょうてきあらわそうとしたのがかずであり、「ものがない」という概念がいねんは「い」という言葉ことば充分じゅうぶんだった。

最初さいしょおおきな進歩しんぽは、かずあらわすための記数きすうほう発明はつめいであり、これでおおきなかず記録きろくすることが出来できるようになった。古代こだいエジプトひとは 1 からひゃくまんまでの 10 の累乗るいじょうそれぞれにことなるヒエログリフてる記数きすうほうもちいていた。バビロニアでは、数字すうじはなして表記ひょうきすることでそのけたが 0 であることをしめろく十進法じっしんほう位取くらいど記数きすうほう方法ほうほう開発かいはつされた。しかし、0 をあらわ文字もじがなかったため、たとえば 10203 は 0 を空白くうはくにして "1 2 3" とまさしく表記ひょうきできるが、10200 は "1 2" となって 102 と区別くべつできない欠点けってんがあった。オルメカマヤ文明ぶんめいでは紀元前きげんぜん1世紀せいきまでには、数字すうじはなして 0 のけたあらわ方法ほうほう独立どくりつもちいられていた。

抽象ちゅうしょうてき概念がいねんとしてのかず体系たいけいてき最初さいしょ研究けんきゅうは、古代こだいギリシアにおいてなされ、かずろん高度こうどにまで発達はったつした。古代こだいギリシアの数学すうがくしゃエウクレイデス編纂へんさんした『原論げんろん』のだい7かん冒頭ぼうとうかず定義ていぎがなされている[1]

  1. 単位たんいとは存在そんざいするもののおのおのがそれによって 1 とよばれるものである。
  2. かずとは単位たんいからである。

これは定規じょうぎとコンパスによる作図さくずかず定義ていぎしたものと解釈かいしゃくできる。すなわち、任意にんいあたえた線分せんぶんながさを単位たんいとして 1 を定義ていぎする。そして、その線分せんぶん延長えんちょうした直線ちょくせんじょう単位たんい半径はんけいとするながさをコンパスではかり、その直線ちょくせんじょうでその単位たんい半径はんけいとするえんとの交点こうてん作図さくずし、そのえん直径ちょっけいを 2 と定義ていぎする。同様どうようにその直線ちょくせんじょうえん直径ちょっけい半径はんけいつないだ線分せんぶん作図さくずし、その線分せんぶんながさを 3 と定義ていぎする。したがって、1 はかずではなく単位たんいであり、2, 3, 4, …がかずになるため、古代こだいギリシアじんは 1 をかずとして認識にんしきしなかったとえる。

1世紀せいきごろ無名むめいインドひとによって、はじめて 0 を使つかった完全かんぜん位取くらいど記数きすうほう発明はつめいされた。かれソロバンとよくたビーズだま計算けいさん計算けいさんしていたとき、かずのないけたを 0 でいて、ビーズだま計算けいさん機上きじょうかくけたかずをそのままならべてあらわすと、計算けいさん結果けっか素早すばやのこせることにづいた。この 0 は、インドじん言葉ことばそら(から)の意味いみあらわす「スーニャ」とばれた。こうしてできた記数きすうほうは、かず記録きろく計算けいさん一大いちだい革命かくめいをもたらすだい発明はつめいとなった。しかし、ここでの 0 はかずとしての 0 ではなく、そらけたあらわ目印めじるしぎないものであった。

かずとしての 0 の概念がいねん628ねんのインド人数にんずう学者がくしゃブラーマグプタによって見出みいだされ、現代げんだいの 0 の概念がいねんちか計算けいさんほうかんがされた。

19世紀せいき自然しぜんすう集合しゅうごうろんてき定義ていぎがなされた。この定義ていぎによればれい自然しぜんすうふくめるほうがより便利べんりである。集合しゅうごうろん論理ろんりがくなどの分野ぶんやではこの流儀りゅうぎしたがうことがおお一方いっぽうかずろんなどの分野ぶんやでは 0 を自然しぜんすうにはふくめない流儀りゅうぎこのまれることがおおい。どちらの流儀りゅうぎをとるにしろ、通常つうじょう著作ちょさくあるいは論文ろんぶんごと定義ていぎ注釈ちゅうしゃく明示めいじされる。とくに混乱こんらんけたい場合ばあいには、0 からはじまる自然しぜんすうすために非負ひふ整数せいすう、1 からはじまる自然しぜんすうすためにせい整数せいすうという用語ようごもちいることもよくある。

計算けいさん科学かがくとくプログラミングではよく 0, 1, 2, … が使つかわれるが、これは記憶きおく装置そうち(メモリー)の住所じゅうしょ(アドレス)の相対そうたい位置いちあらわすことがおおく、相対そうたい位置いちとしては 0, -1, -2, … も処理しょりなか使つかわれることから、自然しぜんすうというよりは整数せいすう範疇はんちゅうである。

19世紀せいきのドイツの数学すうがくしゃレオポルト・クロネッカーが「整数せいすうかみつくったものだが、人間にんげんつくったものである」という言葉ことばのこし、せい整数せいすう自然しぜんすうかんがえたころから、自然しぜんすうという用語ようご定着ていちゃくしたとされる[2]

形式けいしきてき定義ていぎ[編集へんしゅう]

自然しぜんすう公理こうり[編集へんしゅう]

自然しぜんすうがどんなものかは子供こどもでも簡単かんたん理解りかいできるが、その定義ていぎ簡単かんたんではない。自然しぜんすうはじめに厳密げんみつ定義ていぎ可能かのう公理こうりとして提示ていじされたものにペアノの公理こうりがあり(1891ねんジュゼッペ・ペアノ)、以下いかのように自然しぜんすう定義ていぎすることができる。

  • 自然しぜんすう1が存在そんざいする。
  • 任意にんい自然しぜんすうaにはそのしゃ (successor) の自然しぜんすう suc(a) が存在そんざいする(suc(a) は a + 1意味いみ)。
  • ことなる自然しぜんすうことなる後者こうしゃつ。つまり ab のとき suc(a) ≠ suc(b) となる。(あるしゅたんせい
  • 1 はいかなる自然しぜんすう後者こうしゃでもない(1 よりまえ自然しぜんすう存在そんざいしない)。
  • 1 がある性質せいしつたし、a がある性質せいしつたせばそのしゃ suc(a) もその性質せいしつたすとき、すべての自然しぜんすうはその性質せいしつたす。

最後さいご公理こうりは、数学すうがくてき帰納きのうほう正当せいとうするものである。また、うえ公理こうりあらわれる数字すうじ1 だけであり、自然しぜんすう 1 からすべての自然しぜんすうつくされることを意味いみしている。一方いっぽう、この公理こうりの "1" を "0" にえれば、自然しぜんすう 0, 1, 2, 3, … をつくせる。

ただし、ペアノの原典げんてんにおいてはうえとはすこちがった形式けいしき公理系こうりけいべられており、ペアノ自身じしん自然しぜんすうそのものを定義ていぎしようとしたわけではなかった。

集合しゅうごうろんにおいて標準ひょうじゅんてきとなっている自然しぜんすう構成こうせい以下いかとおりである。

  • そら集合しゅうごう0定義ていぎする。
  • 任意にんい集合しゅうごう a後者こうしゃa と {a} の合併がっぺい集合しゅうごうとして定義ていぎされる。
  • 0ふく後者こうしゃ関数かんすうについてじている集合しゅうごうのひとつを M とする。
  • 自然しぜんすうは「後者こうしゃ関数かんすうについてじていて、0ふくM部分ぶぶん集合しゅうごう共通きょうつう部分ぶぶん」として定義ていぎされる。

無限むげん集合しゅうごう公理こうりにより集合しゅうごう M存在そんざいすることがかり、このように定義ていぎされた集合しゅうごうがペアノの公理こうりたすことがしめされる。 このとき、それぞれの自然しぜんすうは、そのかずよりちいさい自然しぜんすうすべてを要素ようそとするかず集合しゅうごう、となる。

  • 0 := {}
  • 1 := suc(0) = {0} = {{}}
  • 2 := suc(1) = {0, 1} = {0, {0}} = { {}, {{}} }
  • 3 := suc(2) = {0, 1, 2} = {0, {0}, {0, {0}}} = { {}, {{}}, { {}, {{}} } }

等々とうとうである[3]

このように定義ていぎされた集合しゅうごう n丁度ちょうど通常つうじょう意味いみで)n もとふくむことになる。また、これは有限ゆうげん順序じゅんじょすう構成こうせいであり、(通常つうじょう意味いみで)nmつことと nm部分ぶぶん集合しゅうごうであることは同値どうちである。

以上いじょう構成こうせいは、自然しぜんすうあらわすのに有用ゆうよう便利べんりそうな定義ていぎえらんだひとつの結果けっかであり、ほかにも自然しぜんすう定義ていぎ無限むげんにできる。これはペアノの公理こうりたす後者こうしゃ関数かんすう suc(a) と最小さいしょう定義ていぎ無限むげんえらべるからである。

たとえば、0 := {}, suc(a) := {a} と定義ていぎしたならば、

  • 0 := {}
  • 1 := {0} = {{}}
  • 2 := {1} = {{{}}}
  • 3 := {2} = {{{{}}}}

非常ひじょう単純たんじゅん自然しぜんすうになる。また、0 := {{}}, suc(a) := a ∪ {a} と定義ていぎしたならば、

  • 0 := {{}}
  • 1 := {{}, 0} = {{}, {{}}}
  • 2 := {{}, 0, 1} = {{}, {{}}, {{},{{}}} }
  • 3 := {{}, 0, 1, 2} = {{}, {{}}, {{},{{}}}, {{},{{}},{{},{{}}}} }

のような多少たしょう複雑ふくざつ自然しぜんすうになる。

加法かほう乗法じょうほう[編集へんしゅう]

自然しぜんすう加法かほう再帰さいきてきに、以下いかのように定義ていぎできる。

  • すべての自然しぜんすう aたいして、a + 0 = a
  • すべての自然しぜんすう a, bたいして、a + suc(b) = suc(a + b)

1 := suc(0) と定義ていぎするならば、suc(b) = suc(b + 0) = b + suc(0) = b + 1 となり、b後者こうしゃとはたんb + 1 のことである。

加法かほう定義ていぎされたならば、自然しぜんすう乗法じょうほう再帰さいきてきに、以下いかのように定義ていぎできる。

  • すべての自然しぜんすう aたいして a × 0 = 0
  • すべての自然しぜんすう a, bたいして a × suc(b) = (a × b) + a

加法かほう乗法じょうほうとも (i) 0 にたいする演算えんざん結果けっか定義ていぎし、(ii) ある自然しぜんすう bたいする演算えんざん結果けっかもちいてそのつぎ自然しぜんすう suc(b) にたいする演算えんざん結果けっか定義ていぎする、と形式けいしきになっている。(i), (ii) をあわせることで、あらゆる自然しぜんすうたいする演算えんざん結果けっか一意いちいられることになる(数学すうがくてき帰納きのうほう)。自然しぜんすう加法かほうについて、0 を単位たんいもととするかわモノイドになっている。また、乗法じょうほうについても、1 を単位たんいもととするかわモノイドになっている。

加法かほう乗法じょうほう以下いか法則ほうそくたす。

以上いじょう法則ほうそく加法かほう乗法じょうほう定義ていぎから数学すうがくてき帰納きのうほうもちいて証明しょうめいできる。

慣例かんれいとして、a × bab略記りゃっきされ、乗法じょうほう加法かほうよりさき計算けいさんされる。たとえば、 a + bc というしきa + (b × c) を意味いみする。

順序じゅんじょ[編集へんしゅう]

a+c=b となる自然しぜんすう c存在そんざいするとき、またそのときにかぎって、 abいて自然しぜんすうたいするぜん順序じゅんじょ定義ていぎする。この順序じゅんじょ自然しぜんすう演算えんざんたいしてつぎ性質せいしつたす。

  • 任意にんい自然しぜんすう a, b, cたいして a ≤ b ならば
    • a + cb + c
    • acbc

順序じゅんじょかんして自然しぜんすう重要じゅうよう性質せいしつひとつは、それが整列せいれつ集合しゅうごうであるということ、つまり自然しぜんすう要素ようそとするそらでない任意にんい集合しゅうごうかなら最小さいしょうもとつということである。

除法じょほう[編集へんしゅう]

ある自然しぜんすう自然しぜんすうった結果けっか自然しぜんすうとしてることは一般いっぱんには可能かのうでないが、あまりつきの除法じょほう可能かのうである。任意にんいふたつの自然しぜんすう ab(ただし、b ≠ 0)にたいしてつぎ性質せいしつふたつの非負ひふ整数せいすう qrもとめられる。

a = bq + r(ただし r < b

qr はそれぞれ、abったしょうあまといい、 ab任意にんいわせにたいして、一意いちいまる。この除法じょほうのいくつかの性質せいしつ整除せいじょせい)、アルゴリズム(ユークリッドの互除ほうなど)、かずろんにおけるアイデアにおいてかぎとなる。

特殊とくしゅ自然しぜんすう[編集へんしゅう]

素数そすう[編集へんしゅう]

自分じぶん自身じしんと 1 以外いがい約数やくすうたない 1 よりおおきな (= 1 以外いがいの)自然しぜんすう素数そすうという。素数そすう無限むげん存在そんざいすることの証明しょうめいエウクレイデスの『原論げんろん』にっている。ちいさいほうから列挙れっきょするとつぎとおりである。

2, 3, 5, 7, 11, 13, …

メルセンヌすうフェルマーすう参照さんしょう

双子ふたご素数そすう[編集へんしゅう]

が 2 であるような素数そすうくみのこと。たとえば 3 と 5、41 と 43 などは双子ふたご素数そすうである。双子ふたご素数そすう無限むげんにあるか、という「双子ふたご素数そすう予想よそう」は未解決みかいけつである。類似るいじ概念がいねんに、素数そすういとこ素数そすうセクシー素数そすうなどがある。

完全かんぜんすう[編集へんしゅう]

完全かんぜんすう自分じぶん自身じしんのぞ約数やくすう自分じぶん自身じしんひとしい自然しぜんすうである。ちいさいほうから列挙れっきょするとつぎとおりである。

6, 28, 496, 8128, 33550336, 8589869056, 137438691328, 2305843008139952128, …

偶数ぐうすう完全かんぜんすうメルセンヌすうふか関係かんけいがある。られている完全かんぜんすうすべ偶数ぐうすうであり、奇数きすう完全かんぜんすうはないと予想よそうされている。また、無限むげん存在そんざいするとも予想よそうしているが、両者りょうしゃとも未解決みかいけつである。類似るいじ概念がいねんに、友愛ゆうあいすう社交しゃこうすうなどがある。

友愛ゆうあいすう[編集へんしゅう]

友愛ゆうあいすう親和しんわすうともう)とは、ことなるふたつの自然しぜんすうくみで、自分じぶん自身じしんのぞいた約数やくすうたがいに他方たほうひとしくなるようなかずのことである。22028411841210などがれいとしてげられる。

いくつかの自然しぜんすうへのリンク[編集へんしゅう]

2けたまでの自然しぜんすう
(0) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99
  • 太字ふとじあらわしたかず素数そすうである。

出典しゅってん[編集へんしゅう]

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

  • E・T・ベル『数学すうがくをつくったひとびと』 じょうした田中たなかいさむぎんはやしひろし わけ東京とうきょう図書としょ、1997ねん10がつ原著げんちょ1962-1963)。ISBN 4-489-00528-8 ISBN 4-489-00529-6 
    • E・T・ベル『数学すうがくをつくったひとびと』 1かん田中たなかいさむぎんはやしひろし わけもりあつし 解説かいせつ早川書房はやかわしょぼう〈ハヤカワ文庫ぶんこ NF 283 〈数理すうりたのしむ〉シリーズ〉、2003ねん9がつ26にちISBN 978-4-15-050283-6 
    • E・T・ベル『数学すうがくをつくったひとびと』 2かん田中たなかいさむぎんはやしひろし わけ吉田よしだたけし 解説かいせつ早川書房はやかわしょぼう〈ハヤカワ文庫ぶんこ NF 284 〈数理すうりたのしむ〉シリーズ〉、2003ねん10がつ17にちISBN 978-4-15-050284-3 
    • E・T・ベル『数学すうがくをつくったひとびと』 3かん田中たなかいさむぎんはやしひろし わけ秋山あきやまひとし 解説かいせつ早川書房はやかわしょぼう〈ハヤカワ文庫ぶんこ NF 285 〈数理すうりたのしむ〉シリーズ〉、2003ねん11月19にちISBN 978-4-15-050285-0 
  • ハイベア・メンゲ へん『ユークリッド原論げんろん中村なかむら幸四郎こうしろう寺阪てらさか英孝ひでたか伊東いとう俊太郎しゅんたろう池田いけだ美恵みえ わけ解説かいせつ共立きょうりつ出版しゅっぱん  - ぜん13かん最初さいしょ邦訳ほうやく
  • von Neumann, Johann (1923), “Zur Einführung der trasfiniten Zahlen”, Acta litterarum ac scientiarum Ragiae Universitatis Hungaricae Francisco-Josephinae, Sectio scientiarum mathematicarum 1: 199-208, http://acta.bibl.u-szeged.hu/38552/1/math_001.pdf 
    • von Neumann, John (January 2002) [1923], “On the introduction of transfinite numbers”, in Jean van Heijenoort, From Frege to Gödel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879-1931 (3rd ed.), Harvard University Press, pp. 346-354, ISBN 0-674-32449-8  - (von Neumann 1923)の英訳えいやく

関連かんれん文献ぶんけん[編集へんしゅう]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]