จำนวนธรรมชาติ

ในทางคณิตศาสตร์ จำนวนธรรมชาติ อาจหมายถึง จำนวนเต็มบวก หรือ จำนวนนับ (1, 2, 3, 4, ...) หรือ จำนวนเต็มไม่เป็นลบ (0 1 2 3 4 ...) ความหมายแรกมีการใช้ในทฤษฎีจำนวน ส่วนแบบหลังได้ใช้งานใน ตรรกศาสตร์ เซตและวิทยาการคอมพิวเตอร์

จำนวนธรรมชาติ มีการใช้งานหลักอยู่สองประการ กล่าวคือสามารถใช้จำนวนธรรมชาติในการนับ เช่น มีส้มอยู่ 3 ผลบนโต๊ะ หรืออาจใช้สำหรับการจัดอันดับ เช่น เมืองนี้เป็นเมืองที่มีขนาดใหญ่เป็นอันดับที่ 3 ในประเทศ เป็นต้น

คุณสมบัติของจำนวนธรรมชาติที่เกี่ยวกับการหารลงตัว เช่นการกระจายของจำนวนเฉพาะ เป็นเนื้อหาในทฤษฎีจำนวน ปัญหาที่เกี่ยวกับการนับ เช่น ทฤษฎีแรมซี นั้นถูกศึกษาในคณิตศาสตร์เชิงการจัด

 ประวัติของจำนวนธรรมชาติและจำนวนศูนย์ 
สันนิษฐานว่าจำนวนธรรมชาติ มีแหล่งกำเนิดอยู่ที่การนับ เริ่มด้วยเลขหนึ่ง
จำนวนธรรมชาติในนามธรรมได้เกิดขึ้นครั้งแรกจากการใช้ตัวเลข เพื่อแสดงให้ค่าจำนวน จนพัฒนาขึ้นมาในการบันทึกจำนวนที่มากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น ชาวบาบิลอนสร้างระบบหลักจำนวนขึ้นมาซึ่งจำเป็นมากในระบบเลขหนึ่งถึงสิบ ชาวอียิปต์ได้สร้างระบบจำนวนอย่างแตกต่างในภาษาเฮียโรกริฟต์ สำหรับหนึ่งถึงสิบและเลขยกกำลังตั้งแต่หลักสิบถึงหลักล้าน ตั้งแต่ที่ถ้ำหินของคาร์หนัก (เคหกรรมของชาวอียิปต์) ก่อนคริสต์ศักราช 1500 ปี จนถึงลูฟฟ์ที่ปารีส แสดงจำนวน 276 โดย 2 แทนที่หลักร้อย 7 แทนที่หลักสิบ 6 แทนที่หลักหน่วย และดังเช่นการเขียนจำนวน 4,622 ด้วย

 นิยามอย่างเป็นรูปนัย 
นิยามอย่างเป็นรูปนัยเชิงคณิตศาสตร์ของจำนวนธรรมชาติพัฒนาตลอดช่วงประวัติศาสตร์โดยมีอุปสรรคบางประการ สัจพจน์ของเปอาโนกำหนดเงื่อนไขที่นิยามสมบูรณ์ใด ๆ ต้องสอดคล้อง การสร้างบางประการแสดงว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เมื่อกำหนดทฤษฎีเซต ต้องมีอยู่
คุณสมบัติพีชคณิตของจำนวนธรรมชาติ
การดำเนินการบวก (+) และการคูณ (×) กับจำนวนธรรมชาติมีคุณสมบัติทางพีชคณิตหลายประการ:
การปิดภายใต้การบวกและการคูณ: สำหรับจำนวนธรรมชาติทั้งหมด a และ b, a + b และ a × b เป็นจำนวนธรรมชาติ
สมบัติการสลับที่ : การคูณ และ บวก จำนวนธรรมชาติ สามารถสลับที่ได้ เช่นเดียวกัน จำนวนจริง และ จำนวนเชิงซ้อน
สัจพจน์ของเปอาโน

สัจพจน์ของเปอาโนเป็นที่มาของทฤษฎีอย่างเป็นรูปนัยของจำนวนธรรมชาติ 
สัจพจน์ของเปอาโนมีดังนี้:
 เป็นจำนวนธรรมชาติ
ทุกจำนวนธรรมชาติ   มีตัวตามหลัง เขียนแทนด้วย   จริง ๆ แล้ว   คือ  
ไม่มีจำนวนธรรมชาติที่ตัวตามหลังเป็น  
 เป็น ฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่ง กล่าวคือจำนวนธรรมชาติที่ต่างกันมีตัวตามหลังที่ต่างกัน: ถ้า   แล้ว 
ถ้า  มีสมบัติอย่างหนึ่ง และ ตัวตามหลังของทุก ๆ จำนวนนับที่มีสมบัตินั้น ก็มีสมบัตินั้น แล้วทุกจำนวนธรรมชาติจะมีสมบัตินั้น (สัจพจน์นี้ยืนยันว่าการพิสูจน์โดยการอุปนัยเชิงคณิตศาสตร์ถูกต้อง)

หมายเหตุ  ในนิยามข้างต้นไม่ได้หมายถึงเลขศูนย์เสมอไป  หมายถึงบางจำนวนที่สอดคล้องกับสัจพจน์ของเปอาโน เมื่อพิจารณาร่วมกับ"ฟังก์ชันตัวตามหลัง"ตามเหมาะสม ทุกระบบที่สอดคล้องกับสัจพจน์เหล่านี้สมมูลกันตามรูปแบบเชิงตรรก อย่างไรก็ตาม มีแบบจำลองสัจพจน์ของเปอาโนที่นับไม่ได้ ซึ่งเรียกว่าแบบจำลองเลขคณิตแบบไม่มาตรฐาน และยืนยันโดยUpward Löwenheim-Skolem Theorem ชื่อ  ใช้ในที่นี้สำหรับสมาชิกตัวแรก (มีการเสนอชื่อ"สมาชิกตัวที่ศูนย์" เพื่อให้ใช้ "สมาชิกตัวแรก" เรียก  ใช้ "สมาชิกตัวที่สอง" เรียก  ฯลฯ) ซึ่งเป็นสมาชิกที่ไม่มีตัวนำหน้า เช่นจำนวนธรรมชาติที่เริ่มด้วย  ก็สอดคล้องสัจพจน์ ถ้าสัญลักษณ์   ถือเป็นจำนวนธรรมชาติ  สัญลักษณ์  ถือเป็น  ฯลฯ ที่จริงแล้วในต้นฉบับของเปอาโน จำนวนธรรมชาติจำนวนแรกคือ 

การสร้างบนพื้นฐานทฤษฎีเซต
การสร้างมาตรฐาน
การสร้างมาตรฐานในวิชาทฤษฎีเซต เป็นกรณีพิเศษของการสร้างเรียงลำดับแบบวอน นิวมันน์ กำหนดนิยามของจำนวนธรรมชาติดังนี้:
กำหนด 0 := { } เป็นเซตว่าง
และนิยาม S(a) = a ∪ {a} สำหรับทุกเซต a S(a) คือตัวตามหลัง a และเรียก S ว่า ฟังก์ชันตัวตามหลัง
โดยสัจพจน์ของอนันต์ เซตของจำนวนธรรมชาติทุกจำนวนมีอยู่ เซตนี้คืออินเตอร์เซกชันของทุกเซตที่มีสมบัติปิดภายใต้ฟังก์ชันตัวตามหลัง จึงสอดคล้องสัจพจน์ของเปอาโน
ทุกจำนวนธรรมชาติเท่ากับเซตของจำนวนธรรมชาติทั้งหมดที่น้อยกว่าจำนวนนั้น ๆ นั่นคือ
0 = { }
1 = {0} = 
2 = {0, 1} = {0, {0}} = {{ }, }
3 = {0, 1, 2} = {0, {0}, {0, {0}}} ={{ }, , {{ }, }}
n = {0, 1, 2, ..., n−2, n−1} = {0, 1, 2, ..., n−2,} ∪ {n−1} = {n−1} ∪ (n−1) = S(n−1)
 ฯลฯ

 อ้างอิง 

 Edmund Landau, Foundations of Analysis, Chelsea Pub Co. ISBN 0-8218-2693-X.
 Richard Dedekind, Essays on the theory of numbers, Dover, 1963, ISBN 0-486-21010-3 / Kessinger Publishing, LLC , 2007, ISBN 0-548-08985-X
 N. L. Carothers. Real analysis. Cambridge University Press, 2000. ISBN 0-521-49756-6
 Brian S. Thomson, Judith B. Bruckner, Andrew M. Bruckner. Elementary real analysis. ClassicalRealAnalysis.com, 2000. ISBN 0-13-019075-6


 ดูเพิ่ม 
 รายชื่อจำนวน

 แหล่งข้อมูลอื่น 
 Axioms and Construction of Natural Numbers
 Essays on the Theory of Numbers by Richard Dedekind at Project Gutenberg

หมวดหมู่:จำนวนเชิงการนับ
หมวดหมู่:คณิตศาสตร์มูลฐาน
หมวดหมู่:จำนวนเต็ม
หมวดหมู่:ทฤษฎีจำนวน
หมวดหมู่:จำนวน