Rappresentabilità dei naturali in base arbitraria

Teorema

Sia b∈N con b≥2. Ogni numero n∈N è rappresentabile in base b, cioè esiste una successione {εi}i∈N composta da interi 0≤εi<bi, che sia definitivamente nulla, ovvero per la quale esiste un valore k∈N per cui εi=0 ∀i>k, e tale che n=∑i=0∞εi⋅bi. Inoltre, se esiste un'altra tale successione {εi′}i∈N, vale εi′=εi per ogni i∈N.

Dimostrazione

Esistenza

Ogni n è rappresentabile in base b?
Procediamo per induzione su n∈N di seconda forma.
n=0 (BASE DELL'INDUZIONE)
Osserviamo che essendo n=0 posso esprimere 0 come una somma polinomiale di zeri.
n=0=∑i∈N0⋅bi

n≥1,∀k<n⟹n (PASSO INDUTTIVO)
Assumiamo per ipotesi induttiva che tutti i k∈N, con k<n si possa rappresentare in base b.
Dobbiamo dimostrare che anche n ammette una tale rappresentazione in base b.
Consideriamo la divisione euclidea tra n e b.

n=q⋅b+r,  0≤r<|b|

Per ipotesi sappiamo che b≥2, quindi vale q<q⋅b≤qb+r=n
Poichè q<n, grazie all'ipotesi induttiva, q si può rappresentare in base b, ovvero ∃{δi}i∈I in Ib definitivamente nulla e $$q = \underline{\sum_{i = 0}^{\infty}\delta_i \cdot b^i}$$
Segue che:

n=(∑i=0∞δi⋅bi)―b+r=∑i=0∞δi⋅bi+1+r

Sia ora r=ε0. Effettuando un cambio di indice (j=i+1), otteniamo:

n=ε0+∑j=1∞δj−1⋅bj=ε0b0+δ0b1+δ1b2+...=∑i∈N εibi

Il passo induttivo è stato fatto. Grazie al principio di induzione di seconda forma, ogni n è rappresentabile in base b.

Unicità

Possono esistere due diverse rappresentazioni per un n?
Procediamo per induzione su n∈N di seconda forma.

n=0 (BASE DELL'INDUZIONE)
Se n=0 allora tutti gli addendi della sommatoria saranno nulli ⟹εi=0  ∀i∈N

n>0,∀k<n⟹n (PASSO INDUTTIVO)
Sia n>0. Assumiamo che ogni k∈N con k<n ammette una sola rappresentazione in base b (ipotesi induttiva). Dobbiamo provare che ciò è vero anche per n.
Siano {εi}i∈N, {εi′}i∈N due successione definitivamente nulle. Proviamo che εi=εi′  ∀i∈N. Osserviamo che:

n=∑i=0∞εi⋅bi=ε0+b(∑i=1∞εi⋅bi−1)n=∑i=0∞εi′⋅bi=ε0′+b(∑i=1∞εi′⋅bi−1)

dove ε0, ε0′ sono i resti delle divisioni di n per b. Ma per l'unicità della divisione euclidea vale ε0=ε0′.
Stesso discorso per i quozienti, che inoltre risultano per definizione <n. Segue, cambiando gli indici della sommatoria:

q=∑j=0∞εj+1⋅bj=∑j=0∞εj+1′⋅bj<n

In conclusione si ha che εi=εi′  ∀i∈N.
Il passo induttivo è stato fatto. Dunque, grazie al principio di induzione di seconda forma, ogni n∈N ammette una sola rappresentazione in base b.