home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / sci-math-faq / numbers < prev    next >
Internet Message Format  |  2000-02-18  |  26KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!newsfeed.sgi.net!pitt.edu!newsflash.concordia.ca!nntp.cs.ubc.ca!torn!watserv3.uwaterloo.ca!undergrad.math.uwaterloo.ca!neumann.uwaterloo.ca!alopez-o
  2. From: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  3. Newsgroups: sci.math,news.answers,sci.answers
  4. Subject: sci.math FAQ: Fundamentals
  5. Followup-To: sci.math
  6. Date: 17 Feb 2000 22:51:57 GMT
  7. Organization: University of Waterloo
  8. Lines: 505
  9. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  10. Expires: Sun, 1 Mar 1998 09:55:55
  11. Message-ID: <88hu2d$qtk$1@watserv3.uwaterloo.ca>
  12. Reply-To: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca
  13. NNTP-Posting-Host: daisy.uwaterloo.ca
  14. Summary: Part 1 of 31, New version
  15. Keywords: Algebraic structures/What are numbers
  16. Originator: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca
  17. Originator: alopez-o@daisy.uwaterloo.ca
  18. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.math:347413 news.answers:177533 sci.answers:11241
  19.  
  20. Archive-name: sci-math-faq/numbers
  21. Last-modified: February 20, 1998
  22. Version: 7.5
  23.  
  24.                            FUNDAMENTALS
  25.  
  26.  
  27.      _________________________________________________________________
  28.    
  29.                              Algebraic structures
  30.                                        
  31.    We will attempt to give a brief explanation of the following concepts:
  32.      * N is a monoid
  33.      * Z is an integral domain
  34.      * Q is a field
  35.      * in the field R the order is complete
  36.      * the field C is algebraically complete
  37.        
  38.    If you have been asked by a child to give them arithmetic problems, so
  39.    they could show off their newly learned skills in addition and
  40.    subtraction I'm sure that after a few problems such as: 2 + 3, 9 - 5,
  41.    10 + 2 and 6 - 4, you tried tossing them something a little more
  42.    difficult: 4 - 7 only to be told `` That's not allowed.''
  43.    
  44.    What you may not have realized is that you and the child did not just
  45.    have different objects in mind (negative numbers) but entirely
  46.    different algebraic systems. In other words a set of objects (they
  47.    could be natural numbers, integers or reals) and a set of operations,
  48.    or rules regarding how the numbers can be combined.
  49.    
  50.    We will take a very informal tour of some algebraic systems, but
  51.    before we define some of the terms, let us build a structure which
  52.    will have some necessary properties for examples and counterexamples
  53.    that will help us clarify some of the definitions.
  54.    
  55.    We know that any number that is divided by six will either leave a
  56.    remainder, or will be divided exactly (which is after all the
  57.    remainder 0). Let us write any number by the remainder n it leaves
  58.    after division by six, denoting it as [ n ]. This means that, 7, 55
  59.    and 1 will all be written [1], which we call the class to which they
  60.    all belong: i.e. 7 in [1], 55 in [1], or, a bit more technically, they
  61.    are all equivalent to 1 modulo 6. The complete set of class will
  62.    contain six elements, and this is called partitioning numbers into
  63.    equivalent classes because it separates (or partitions) all of our
  64.    numbers into these classes, and any one number in a class is
  65.    equivalent to any other in the same class.
  66.    
  67.    One interesting thing we can do with these classes is to try to add or
  68.    to multiply them. What can [1] + [3] mean? We can, rather naively try
  69.    out what they mean in ``normal'' arithmetic: [1] + [3] = [1 + 3] =
  70.    [4]. So far so good, let us try a second example 25 in [1] and 45 in
  71.    [3], their sum is 70 which certainly belongs to [4]. Here we see what
  72.    we meant above by equivalence, 25 is equivalent to 1 as far as this
  73.    addition is concerned. Of course this is just one example, but
  74.    fortunately it can be proven that the sum of two classes is always the
  75.    class of the sums.
  76.    
  77.    Now this is the kind of thing we all do when we add hours for example,
  78.    7 (o' clock) plus 6 hours is 1 (o' clock), and all we are really doing
  79.    is adding hours (modulo 12).
  80.    
  81.    The neat part comes with multiplication, as we will see later on. But
  82.    for now just remember, it can be proven that something like [4] x [5]
  83.    = [2] will work: the product of two classes is the class of the
  84.    product.
  85.    
  86.    Now for some of the necessary terminology.
  87.    
  88.  
  89. Monoids and Groups
  90.  
  91.    We need to define a group.
  92.    
  93.    Let us take a set of objects and a rule (called a binary operation)
  94.    which allows us to combine any two elements of this set. Addition is
  95.    an example from math, or ANDing in some computer language.
  96.    
  97.    The set must be closed under the operation. That means that when two
  98.    elements are combined the result must also be in the set. For example
  99.    the set containing even numbers will always give us an even number
  100.    when two elements are added together. But if we restrict ourselves to
  101.    odd numbers, their sum is not an odd number and so we know right off
  102.    the bat that the set of odd numbers and addition cannot constitute a
  103.    group. Some books will consider closure in the definition of binary
  104.    operation, and others add it as one of the requirements for a group
  105.    along with the ones that follow below.
  106.    
  107.    The set and the operation is called a group if the binary operation
  108.    satisfies the following criteria:
  109.      * the operation is associative, which means it doesn't matter how
  110.        you group the elements you are operating on, for example in our
  111.        set of remainders: [1] + ([3] + [4]) = ([1] + [3]) + [4]
  112.      * there is an identity element, meaning: one of the elements
  113.        combined with the others in the set doesn't change them in the
  114.        least. For example the zero in addition, or the one in
  115.        multiplication.
  116.      * every element has an inverse with respect to that operation. If
  117.        you combine an element and its inverse you get the identity (of
  118.        that operation) back.
  119.        
  120.    (Be careful with this last one, -3 is the inverse of 3 in addition,
  121.    since they give us 0 when added, but 1/3 is the inverse of 3 with
  122.    respect to multiplication, since 3 x 1/3 = 1 the identity under
  123.    multiplication.)
  124.    
  125.    So we can see that the set of natural numbers N (with the operation of
  126.    addition) is not even a group, since there is no inverse for 5, for
  127.    example. (In other words there is no natural number which added to 5
  128.    will give us zero.) And so the third rule for our operation is
  129.    violated. But it still has some structure, even if it is not as rich
  130.    as the ones we'll see later on.
  131.    
  132.    Sets with an associative operation (the first condition above) are
  133.    called semigroups, and if they also have an identity element (the
  134.    second condition) then they are called monoids.
  135.    
  136.    Our set of natural numbers under addition is then an example of a
  137.    monoid, a structure that is not quite a group because it is missing
  138.    the requirement that every element have an inverse under the operation
  139.    (Which is why in elementary school 4 - 7 is not allowed.)
  140.    
  141.    What about the set of integers, is it a group?
  142.    
  143.    By itself this question is nonsensical. Why? Well, we have not
  144.    mentioned under what operation. OK, let us say: the set of integers
  145.    with addition.
  146.    
  147.    Now, addition is associative, the zero does not change any number when
  148.    added to it, and for every number n we can add -n and get zero. So
  149.    it's a group all right.
  150.    
  151.    In fact it is a special kind of group. When we can perform the
  152.    operation on the two elements in any order (e.g a + b = b + a) then
  153.    the group is called commutative, or Abelian in honor of Abel. Not
  154.    every operation is commutative, for example three minus two is
  155.    certainly not the same as two minus three. Our set of integers under
  156.    addition is then an Abelian group.
  157.    
  158. Rings
  159.  
  160.    If we take an Abelian group (remember: a set with a binary operation)
  161.    and we define a second operation on it we get a bit more of a
  162.    structure than we had with just a group.
  163.    
  164.    If the second operation is associative, and it is distributive over
  165.    the first then we have a ring. Note that the second operation may not
  166.    have an identity element, nor do we need to find an inverse for every
  167.    element with respect to this second operation. As for what
  168.    distributive means, intuitively it is what we do in math when perform
  169.    the following change: a x (b + c) = (a x b) + (a xc).
  170.    
  171.    If the second operation is also commutative then we have what is
  172.    called a commutative ring. The set of integers (with addition and
  173.    multiplication) is a commutative ring (with even an identity - called
  174.    unit element - for multiplication).
  175.    
  176.    Now let us go back to our set of remainders. What happens if we
  177.    multiply [5] x [1]? We see that we get [5], in fact we can see a
  178.    number of things according to our definitions above, [5] is its own
  179.    inverse, and [1] is the multiplicative element. We can also show
  180.    easily enough (by creating a complete multiplication table) that it is
  181.    commutative. But notice that if we take [3] and [2], neither of which
  182.    are equal to the class that the zero belongs to [0], and we multiply
  183.    them, we get [3]x[2] = [0]. This bring us to the next definition. In a
  184.    commutative ring, let us take an element which is not equal to zero
  185.    and call it a. If we can find a non-zero element, say b that combined
  186.    with a equals zero ( a x b = 0) then a is called a zero divisor.
  187.    
  188.    A commutative ring is called an integral domain if it has no zero
  189.    divisors. Well the set Z with addition and multiplication fullfills
  190.    all the necessary requirements, and so it is an integral domain.
  191.    Notice that our set of remainders is not an integral domain, but we
  192.    can build a similar set with remainders of division by five, for
  193.    example, and voil`, we have an integral domain.
  194.    
  195.    Let us take, for example, the set Q of rational numbers with addition
  196.    and multiplication - I'll leave out the proof that it is a ring, but I
  197.    think you should be able to verify it easily enough with the above
  198.    definitions. But to give you a head start, notice the addition of
  199.    rationals follow all the requirements for an abelian group. If we
  200.    remove the zero we will have another abelian group, and that implies
  201.    that we have something more than a ring, in fact, as we will see in
  202.    the next section.
  203.    
  204. Fields
  205.  
  206.    Now we can make one step further. If the elements of a ring, excluding
  207.    the zero, form an abelian group (with the second operation) then it is
  208.    a field. For example, write the multiplication table of the remainders
  209.    of division by 5, and you will see that it satisfies all the
  210.    requirements for a group: (You will probably have noticed that the
  211.    group does not contain the number five itself since [5] = [0].)
  212.    (tabular)(c | c c c c) 1 2 3 4 ; 1 2 3 4 ; 2 2 4 1 3 ; 3 3 1 4 2 ; 4 4
  213.    3 2 1(tabular)
  214.    
  215.    (Why isn't the set of divisors of six - excluding the zero and under
  216.    multiplication - a group? That's easy enough, since we have excluded
  217.    the zero we do not have the result of [2] x [3] in our set, so it
  218.    isn't closed.)
  219.    
  220. Ordering
  221.  
  222.    Given a ring, we can say that it is ordered when you have a special
  223.    subset of that ring behaves in a very special way. If any two elements
  224.    of that special subset are added or multiplied their sum and their
  225.    product are again in the special subset. Take the negative numbers in
  226.    R , can they be that special subset? Well the sum seems to be
  227.    allright, it is also a negative number. But things don't work with the
  228.    product: it is positive. What about the positive numbers? Yep, and in
  229.    fact we call that special subset, the set of positive elements. Now,
  230.    we gave the definition for an ordered ring, we can also define an
  231.    ordered field the same way.
  232.    
  233.    But what does a complete ordered field mean? Well the definition looks
  234.    rather nasty: it is complete if every non-empty subset which posesses
  235.    an upper bound has a least upper bound.
  236.    
  237.    Let's translate some of that, trying to lose as little information on
  238.    the way. A bound is something that guarantees that all of the elements
  239.    of your set are on one side of it (reasonably enough). For example,
  240.    certainly all negative reals are less than 100, so 100 is a bound (it
  241.    is in fact an upper bound 'cause all negatives are ``below'' it). But
  242.    there are lots of other bounds, 1, 5, 26 will all do nicely. The
  243.    question now is, of all of these (upper bounds) which is the smallest,
  244.    that is which one is ``the border'' so to speak? Does it always
  245.    exists?
  246.    
  247.    Let's take the rationals, and look at the following numbers:
  248.    
  249.    1.4, \; 1.41, \; 1.414, \; 1.4142, \; 1.41421, ... 
  250.    
  251.    Now each of these is a rational number (it can be written as a
  252.    fraction), and they are getting closer and closer to a number we've
  253.    probably seen before (just take out your calculator and find the
  254.    square root of two). So we can write the shorthand for this series as
  255.    sqrt(2). Certainly we can find an upper bound for this series, 3 will
  256.    do nicely, but so can 1.5, or 1.42. But what is the smallest. Well
  257.    there isn't any. Not among the rational at least, because no matter
  258.    what fraction you give I can give you one closer to the square root of
  259.    two. What about the square root of two itself? Well it's not a
  260.    rational number (I'll skip the proof, but it is really rather easy) so
  261.    you can't use it. If you want another series which is really neat look
  262.    at the section on ``Euler's formula'' in the FAQ.
  263.    
  264.    And that is where the reals come in. Any set or reals that is bounded
  265.    you can certainly find the smallest of these bounds. (By the way this
  266.    ``least upper bound'' is abbreviated ``l.u.b.'', or ``sup'' for
  267.    supremum.) We can also turn things around and talk of lower bounds,
  268.    and of the largest of these etc. but most of that will be just a
  269.    mirror image of what we have dealt with so far.
  270.    
  271.    So that should be it. And for years that did seem to be it, we seemed
  272.    to have all the numbers we'd ever care to have.
  273.    
  274.    There was just one small stick in the works, but most people just sort
  275.    of pretended not to notice, and that was that not all polynomials had
  276.    solutions. One simple polynomial of this kind is x^2 + 1 = 0. It's so
  277.    simple, yet there's no self respecting number that would solve this
  278.    polynomial. There were these funny answers which seemed like they
  279.    should be solutions but no one could make any sense out of them, so
  280.    they were considered imaginary solutions. Which was really too bad
  281.    because they were given the name of imaginary numbers and now that the
  282.    name stuck we realize that they are numbers just as good as any of the
  283.    ones we have been using for centuries. And in fact that takes us to
  284.    the last great pinnacle in this short excursion. The field of complex
  285.    numbers.
  286.    
  287.    We can define an algebraically closed field as a field where every
  288.    nonconstant polynomial (i.e. one with an x in it from high school
  289.    days) has a zero in the field. Whew! This in short means that as long
  290.    as the polynomial is not a constant number (which is no fun anyways)
  291.    but something which looks like it wants a solution, like 5 x^3 - 2 x^2
  292.    + 6 = 0 it will always have one, if you are working with complex
  293.    numbers and not just reals.
  294.    
  295.    There is another definition which is probably just as good, but may or
  296.    may not be easier: A field is algebraically closed if every polynomial
  297.    splits into linear factors. Linear factors are briefly factors not
  298.    containing x to any power of two or higher, in other words in the
  299.    form: ax + b. For example x^2 + x - 6 can be factored as (x + 3)(x -
  300.    2), but if we are in the field of reals we cannot factor x^2 + 1, but
  301.    we can in the field of complex numbers: x^2 + 1 = (x - i)(x + i),
  302.    where, you may recall, i^2 = -1.
  303.  
  304.  
  305.      _________________________________________________________________
  306.    
  307.                                What are numbers?
  308.                                        
  309. Introduction
  310.  
  311.    Informally:
  312.      * N = { 0,1,... } or N = { 1,2,... } 
  313.        Wether 0 is in N depends on where you live and what is your field
  314.        of interest. At the informal level it is a religious topic.
  315.      * Z = { ..., - 1,0,1,... } 
  316.      * Q = { p/q | p, q in Z and q != 0 } 
  317.      * R = { d_0.d_1d_2... | d_0 in Z and 0 <= d_i <= 9 for i > 0 } 
  318.      * C = { a + b o i | a, b in R and i^2 = -1 } 
  319.        
  320. Construction of the Number System
  321.  
  322.    Formally (following the mainstream in math) the numbers are
  323.    constructed from scratch out of the axioms of Zermelo Fraenkel set
  324.    theory (a.k.a. ZF set theory) [Enderton77, Henle86, Hrbacek84]. The
  325.    only things that can be derived from the axioms are sets with the
  326.    empty set at the bottom of the hierarchy. This will mean that any
  327.    number is a set (it is the only thing you can derive from the axioms).
  328.    It doesn't mean that you always have to use set notation when you use
  329.    numbers: just introduce the numerals as an abbreviation of the formal
  330.    counterparts.
  331.    
  332.    The construction starts with N and algebraically speaking, N with its
  333.    operations and order is quite a weak structure. In the following
  334.    constructions the structures will be strengthen one step at the time:
  335.    Z will be an integral domain, Q will be a field, for the field R the
  336.    order will be made complete, and field C will be made algebraically
  337.    complete.
  338.    
  339.    Before we start, first some notational stuff:
  340.      * a pair (a,b) = { { a } , { a,b } } ,
  341.      * an equivalence class [a] = { b | a == b } ,
  342.      * the successor of a is s(a) = a U { a } .
  343.        
  344.    Although the previous notations and the constructions that follow are
  345.    the de facto standard ones, there are different definitions possible.
  346.    
  347. Construction of N
  348.  
  349.      * { } in N
  350.      * if a in N then s(a) in N
  351.      * N is the smallest possible set such that the preceding rules hold.
  352.        
  353.    Informally n = { 0,...,n - 1 } (thus 0 = { } , 1 = { 0 } , 2 = { 0,1 }
  354.    , 3 = { 0,1,2 } ). We will refer to the elements of N by giving them a
  355.    subscript _n. The relation <_n on N is defined as: a_n <_n b_n iff a_n
  356.    in b_n. We can define +_n as follows:
  357.      * a_n +_n 0_n = a_n
  358.      * a_n +_n s(b_n) = s(a_n +_n b_n)
  359.        
  360.    Define *_n as:
  361.      * a_n *_n 0_n = 0_n
  362.      * a_n *_n s(b_n) = (a_n *_n b_n) +_n a_n
  363.        
  364. Construction of Z
  365.  
  366.    We define an equivalence relation on N x N: (a_n,b_n) ==_z(c_n,d_n)
  367.    iff a_n +_n d_n = c_n +_n b_n. Note that ==_z ``simulates'' a
  368.    subtraction in N . Z = { [(a_n,b_n)]_z | a_n, b_n in N } . We will
  369.    refer to the elements of Z by giving them a subscript _z. The elements
  370.    of N can be embedded as follows: embed_n : N --> Z such that
  371.    embed_n(a_n) = [(a_n,0_n)]_z. Furthermore we can define:
  372.      * [(a_n,b_n)]_z <_z [(c_n,d_n)]_z iff a_n +_n d_n <_n c_n +_n b_n
  373.      * [(a_n,b_n)]_z +_z [(c_n,d_n)]_z = [(a_n +_n c_n, b_n +_n d_n)]_z
  374.      * [(a_n,b_n)]_z *_z [(c_n,d_n)]_z = 
  375.        [((a_n *_n c_n) +_n (b_n *_n d_n), (a_n *_n d_n) +_n (c_n *_n
  376.        b_n))]_z
  377.        
  378. Construction of Q
  379.  
  380.    We define an equivalence relation on Z x (Z { 0_z }): (a_z,b_z) ==_q
  381.    (c_z,d_z) iff a_z *_z d_z = c_z *_z b_z. Note that ==_q ``simulates''
  382.    a division in Z . Q = { [(a_z,b_z)]_q | a_z in Z and b_z in Z { 0_z }
  383.    } . We will refer to the elements of Q by giving them a subscript _q.
  384.    The elements of Z can be embedded as follows: embed_z : Z --> Q such
  385.    that embed_z(a_z) = [(a_z,1_z)]_q. Furthermore we can define:
  386.      * [(a_z,b_z)]_q <_q [(c_z,d_z)]_q iff a_z *_z d_z <_z c_z *_z b_z
  387.        when 0_z <_z b_z and 0_z <_z d_z
  388.      * [(a_z,b_z)]_q +_q [(c_z,d_z)]_q = [((a_z *_z d_z) +_z (c_z *_z
  389.        b_z), b_z *_z d_z)]_q
  390.      * [(a_z,b_z)]_q *_q [(c_z,d_z)]_q = [(a_z *_z c_z, b_z *_z d_z)]_q
  391.        
  392. Construction of R
  393.  
  394.    The construction of R is different (and more awkward to understand)
  395.    because we must ensure that the cardinality of R is greater than that
  396.    of Q .
  397.    Set c is a Dedekind cut iff
  398.      * { } subset c subset Q (strict inclusions!)
  399.      * c is closed downward:
  400.        if a_q in c and b_q <_q a_q then b_q in c
  401.      * c has no largest element:
  402.        there isn't an element a_q in c such that b_q <_q a_q for all b_q
  403.        != a_q in c
  404.        
  405.    You can think of a cut as taking a pair of scissors and cutting Q in
  406.    two parts such that one part contains all the small numbers and the
  407.    other part contains all large numbers. If the part with the small
  408.    numbers was cut in such a way that it doesn't have a largest element,
  409.    it is called a Dedekind cut. R = { c | c is a Dedekind cut } . We will
  410.    refer to the elements of R by giving them a subscript _r. The elements
  411.    of Q can be embedded as follows: embed_q : Q --> R such that
  412.    embed_q(a_q) = { b_q | b_q <_q a_q } . Furthermore we can define:
  413.      * a_r <_r b_r iff a_r subset b_r (strict inclusion!)
  414.      * a_r +_r b_r = { c_q +_q d_q | c_q in a_r and d_q in b_r } 
  415.      * -_r a_r = ; { b_q | there exists an c_q in Q such that b_q <_q c_q
  416.        and (-1)_q *_q c_q in a_r } 
  417.      * |a_r|_r = a_r U -_r a_r
  418.      * *_r is defined as:
  419.           + if not a_r <_r 0_r and not b_r <_r 0_r
  420.             then a_r *_r b_r = 0_r U { c_q *_q d_q | c_q in a_r and d_q
  421.             in b_r } 
  422.           + if a_r <_r 0_r and b_r <_r 0_r then a_r *_r b_r = |a_r|_r *_r
  423.             |b_r|_r
  424.           + otherwise a_r *_r b_r = -_r (|a_r|_r *_r |b_r|_r)
  425.        
  426.    There exists an alternative definition of R using Cauchy sequences: a
  427.    Cauchy sequence is a s : N --> Q such that s(i_n) +_q((-1)_q *_q
  428.    s(j_n)) can be made arbitrary near to 0_q for all sufficiently large
  429.    i_n and j_n. We will define an equivalence relation ==_r on the set of
  430.    Cauchy sequences as: r ==_r s iff r(m_n) +_q((-1)_q *_q s(m_n)) can be
  431.    made arbitrary close to 0_q for all sufficiently large m_n. R = {
  432.    [s]_r | s is a Cauchy sequence } . Note that this definition is close
  433.    to ``decimal'' expansions.
  434.    
  435. Construction of C
  436.  
  437.    C = R x R. We will refer to the elements of C by giving them a
  438.    subscript _c. The elements of R can be embedded as follows: embed_r :
  439.    R --> C such that embed_r(a_r) = (a_r,0_r). Furthermore we can define:
  440.      * (a_r,b_r) +_c (c_r,d_r) = (a_r +_r c_r, b_r +_r d_r)
  441.      * (a_r,b_r) *_c (c_r,d_r) = ((a_r *_r c_r) +_r -_r (b_r * d_r), (a_r
  442.        *_r d_r) +_r (b_r *_r c_r))
  443.        
  444.    There exists an elegant alternative definition using ideals. To be a
  445.    bit sloppy: C = R [x]/< (x *_r x) +_r 1_r > , i.e. C is the resulting
  446.    quotient ring of factoring ideal < (x *_r x) +_r 1_r > out of the ring
  447.    R [x] of polynomials over R . The sloppy part is that we need to
  448.    define concepts like quotient ring, ideal, and ring of polynomials.
  449.    Note that this definition is close to working with i^2 = -1: (x *_r x)
  450.    +_r 1_r = 0_r can be rewritten as (x *_r x) = (-1)_r.
  451.    
  452. Rounding things up
  453.  
  454.    At this moment we don't have that N is a subset of Z , Z of Q , etc.
  455.    But we can get the inclusions if we look at the embedded copies of N ,
  456.    Z , etc. Let
  457.      * N' = ran embed_r o embed_q o embed_z o embed_n
  458.      * Z' = ran embed_r o embed_q o embed_z
  459.      * Q' = ran embed_r o embed_q
  460.      * R' = ran embed_r
  461.        
  462.    For these sets we have N' subseteq Z' subseteq Q' subseteq R' subseteq
  463.    C. Furthermore these sets have all the properties that the
  464.    ``informal'' numbers have.
  465.    
  466. What's next?
  467.  
  468.    Well, for some of the more alien parts of math we can extend this
  469.    standard number system with some exotic types of numbers. To name a
  470.    few:
  471.      * Cardinals and ordinals
  472.        Both are numbers in ZF set theory [Enderton77, Henle86, Hrbacek84]
  473.        and so they are sets as well. Cardinals are numbers that represent
  474.        the sizes of sets, and ordinals are numbers that represent well
  475.        ordered sets. Finite cardinals and ordinals are the same as the
  476.        natural numbers. Cardinals, ordinals, and their arithmetic get
  477.        interesting and ``tricky'' in the case of infinite sets.
  478.      * Hyperreals
  479.        These numbers are constructed by means of ultrafilters [Henle86]
  480.        and they are used in non-standard analysis. With hyperreals you
  481.        can treat numbers like Leibnitz and Newton did by using
  482.        infinitesimals.
  483.      * Quaternions and octonions
  484.        Normally these are constructed by algebraic means (like the
  485.        alternative C definition that uses ideals) [Shapiro75, Dixon94].
  486.        Quaternions are used to model rotations in 3 dimensions.
  487.        Octonions, a.k.a. Cayley numbers, are just esoteric artifacts :-).
  488.        Well, if you know where they are used for, feel free to contribute
  489.        to the FAQ.
  490.      * Miscellaneous
  491.        Just to name some others: algebraic numbers [Shapiro75], p-adic
  492.        numbers [Shapiro75], and surreal numbers (a.k.a. Conway numbers)
  493.        [Conway76].
  494.        
  495.    Cardinals and ordinals are commonly used in math. Most mortals won't
  496.    encounter (let alone use) hyperreals, quaternions, and octonions.
  497.    
  498.       References
  499.       
  500.    J.H. Conway. On Numbers and Games, L.M.S. Monographs, vol. 6. Academic
  501.    Press, 1976.
  502.    
  503.    H.B. Enderton. Elements of Set Theory. Academic Press, 1977.
  504.    
  505.    G.M. Dixon. Division Algebras; Octonions, Quaternions, Complex Numbers
  506.    and the Algebraic Design of Physics. Kluwer Academic, 1994.
  507.    
  508.    J.M. Henle. An Outline of Set Theory. Springer Verlag, 1986.
  509.    
  510.    K. Hrbacek and T. Jech. Introduction to Set Theory. M. Dekker Inc.,
  511.    1984.
  512.    
  513.    L. Shapiro. Introduction to Abstract Algebra. McGraw-Hill, 1975.
  514.    
  515.    This subsection of the FAQ is Copyright (c) 1994, 1995 Hans de
  516.    Vreught. Send comments and or corrections relating to this part to
  517.    J.P.M.deVreught@cs.tudelft.nl
  518.      _________________________________________________________________
  519.    
  520. -- 
  521. Alex Lopez-Ortiz                                         alopez-o@unb.ca
  522. http://www.cs.unb.ca/~alopez-o                       Assistant Professor    
  523. Faculty of Computer Science                  University of New Brunswick
  524.