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Sus trabajos matemáticos se desarrollaron sobre todo en el ámbito de la teoría de conjuntos. Su más importante contribución fue la axiomatización de la teoría de conjuntos (la primera de todas las que se han propuesto a lo largo de la historia), para la cual propuso siete axiomas: el de extensionalidad, el de conjuntos elementales, el de separación, el del conjunto-potencia, el de unión, el de elección y el de infinitud. La teoría de Zermelo supuso una considerable precisión, a la par que restricción, de la teoría de conjuntos de Cantor; su trabajo al respecto permitió evitar ciertas paradojas que aquélla planteaba y que habían provocado que muchos matemáticos y lógicos la descartasen completamente. Escribió numerosos artículos a lo largo de su vida, entre los cuales destacan Prueba de que todo conjunto puede estar bien ordenado, de 1904; Nueva prueba para la posibilidad de una buena ordenación, de 1908; Sobre los fundamentos de la aritmática, de 1909; "Sur les ensembles finis et le principe de l´induction complète", de 1909; Sobre el concepto de definidad en la axiomática, de 1929; y Sobre números límites y esferas de conjuntos, de 1930.
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