实数系定理(上)

    科技2022-07-17  221

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    用确界存在定理证明单调有界定理用单调有界定理证明闭区间套定理用闭区间套定理证明致密性定理用致密性定理证明Cauchy收敛准则用Cauchy收敛准则证明确界存在定理

    用确界存在定理证明单调有界定理

    命题:单调有界数列必定收敛,且收敛于其上确界或下确界。

    证明:不妨设数列 { x n } \{x_n\} {xn​}单调递增有上界,根据确界存在定理,由 { x n } \{x_n\} {xn​}构成的数集一定存在上确界 β \beta β。根据上确界的性质,有

    ∀ n , x n ≤ β \forall n,x_n\le \beta ∀n,xn​≤β; ∀ ε > 0 , ∃ n 0 , x n 0 > β − ε \forall \varepsilon>0,\exists n_0,x_{n_0}>\beta-\varepsilon ∀ε>0,∃n0​,xn0​​>β−ε。

    这样,任给一个 ε > 0 \varepsilon>0 ε>0,取 N = n 0 N=n_0 N=n0​,则 ∀ n > N \forall n>N ∀n>N, β − ε < x N ≤ x n ≤ β , \beta-\varepsilon <x_N\le x_n\le \beta, β−ε<xN​≤xn​≤β, 也就是 ∀ ε , ∃ n 0 \forall \varepsilon, \exists n_0 ∀ε,∃n0​,当 n > n 0 n>n_0 n>n0​时 ∣ x n − β ∣ < ε , |x_n-\beta|<\varepsilon, ∣xn​−β∣<ε, 这就说明 x n x_n xn​收敛于其上确界 β \beta β。

    用单调有界定理证明闭区间套定理

    定义(闭区间套):如果一列闭区间 { [ a n , b n ] } \{[a_n,b_n]\} {[an​,bn​]}满足条件:

    [ a n + 1 , b n + 1 ] ⊂ [ a n , b n ] , n = 1 , 2 , 3 , ⋯ [a_{n+1},b_{n+1}]\subset [a_n,b_n],n=1,2,3,\cdots [an+1​,bn+1​]⊂[an​,bn​],n=1,2,3,⋯; lim ⁡ n → ∞ ( b n − a n ) = 0 \lim\limits_{n\to\infty }(b_n-a_n)=0 n→∞lim​(bn​−an​)=0;

    则称这列闭区间形成一个闭区间套。

    命题:如果 { [ a n , b n ] } \{[a_n,b_n]\} {[an​,bn​]}形成一个闭区间套,则存在唯一的实数 ξ \xi ξ属于所有的闭区间 [ a n , b n ] [a_n,b_n] [an​,bn​],且 ξ = lim ⁡ n → ∞ a n = lim ⁡ n → ∞ b n \xi=\lim\limits_{n\to \infty}a_n=\lim\limits_{n\to \infty} b_n ξ=n→∞lim​an​=n→∞lim​bn​。

    证明:由题意得到不等式 a 1 ≤ a 2 ≤ ⋯ ≤ a n < b n ≤ ⋯ ≤ b 2 ≤ b 1 , a_1\le a_2\le \cdots\le a_n<b_n\le \cdots \le b_2\le b_1, a1​≤a2​≤⋯≤an​<bn​≤⋯≤b2​≤b1​, 即 { a n } \{a_n\} {an​}递增有上界, { b n } \{b_n\} {bn​}递减有下界,那么 { a n } , { b n } \{a_n\},\{b_n\} {an​},{bn​}都有极限,设 ξ 0 = lim ⁡ n → ∞ a n \xi_0 =\lim\limits_{n\to \infty}a_n ξ0​=n→∞lim​an​,则 lim ⁡ n → ∞ b n = lim ⁡ n → ∞ ( b n − a n ) + lim ⁡ n → ∞ a n = ξ 0 , \lim_{n\to \infty}b_n=\lim_{n\to \infty}(b_n-a_n)+\lim_{n\to \infty}a_n=\xi_0, n→∞lim​bn​=n→∞lim​(bn​−an​)+n→∞lim​an​=ξ0​, 即 { a n } , { b n } \{a_n\},\{b_n\} {an​},{bn​}存在相同的极限 ξ 0 \xi_0 ξ0​,令 ξ = ξ 0 \xi=\xi_0 ξ=ξ0​,则得到 a n ≤ ξ ≤ b n a_n\le \xi \le b_n an​≤ξ≤bn​,即 ξ ∈ [ a n , b n ] \xi\in [a_n,b_n] ξ∈[an​,bn​],且 ξ = lim ⁡ n → ∞ a n = lim ⁡ n → ∞ b n . \xi =\lim_{n\to \infty}a_n=\lim_{n\to \infty}b_n. ξ=n→∞lim​an​=n→∞lim​bn​. 接下来证明 ξ \xi ξ的唯一性,不妨设另有实数 ξ ′ \xi' ξ′也属于所有的 [ a n , b n ] [a_n,b_n] [an​,bn​],则 a n ≤ ξ ′ ≤ b n a_n\le \xi'\le b_n an​≤ξ′≤bn​,令 n → ∞ n\to \infty n→∞,由极限的夹逼性得 ξ ′ = ξ \xi'=\xi ξ′=ξ,这就证明只能是 ξ ∈ [ a n , b n ] \xi\in [a_n,b_n] ξ∈[an​,bn​]。

    用闭区间套定理证明致密性定理

    定义(子列):设 { x n } \{x_n\} {xn​}是一个数列,而 n 1 < n 2 < ⋯ < n k < n k + 1 < ⋯ n_1<n_2<\cdots<n_k<n_{k+1}<\cdots n1​<n2​<⋯<nk​<nk+1​<⋯是一列严格单调增加的正整数,则 x n 1 , x n 2 , ⋯   , x n k , ⋯ x_{n_1},x_{n_2},\cdots,x_{n_k},\cdots xn1​​,xn2​​,⋯,xnk​​,⋯ 也形成一个数列,称为 { x n } \{x_n\} {xn​}的子列,记作 { x n k } \{x_{n_k}\} {xnk​​}。

    命题(Bolzano-Weierstrass):有界数列必有收敛子列。

    证明:设数列 { x n } \{x_n\} {xn​}有界,则存在实数 a 1 , b 1 a_1,b_1 a1​,b1​,使得 a 1 ≤ x n ≤ b 1 , ∀ n ∈ N + a_1\le x_n\le b_1,\forall n\in \N_+ a1​≤xn​≤b1​,∀n∈N+​。由于数列含有无穷多项,将 [ a 1 , b 1 ] [a_1,b_1] [a1​,b1​]分成两个小区间 [ a 1 , a 1 + b 1 2 ] , [ a 1 + b 1 2 , b 1 ] \left[a_1,\dfrac{a_1+b_1}{2}\right],\left[\dfrac{a_1+b_1}{2},b_1\right] [a1​,2a1​+b1​​],[2a1​+b1​​,b1​],至少存在一个区间包含数列 { x n } \{x_n\} {xn​}中的无穷多项,把它记为 [ a 2 , b 2 ] [a_2,b_2] [a2​,b2​],依此进行,可以得到 [ a 3 , b 3 ] [a_3,b_3] [a3​,b3​]……一直重复下去能够得到一个闭区间套 { [ a k , b k ] } \{[a_k,b_k]\} {[ak​,bk​]},其中每一个闭区间 [ a k , b k ] [a_k,b_k] [ak​,bk​]中都含有数列 { x n } \{x_n\} {xn​}中的无穷多项。

    根据闭区间套定理,存在实数 ξ \xi ξ,满足 ξ = lim ⁡ k → ∞ a k = lim ⁡ k → ∞ b k \xi =\lim\limits_{k\to \infty}a_k=\lim\limits_{k\to \infty}b_k ξ=k→∞lim​ak​=k→∞lim​bk​。现在可以证明数列 { x n } \{x_n\} {xn​}一定有一个子列收敛于实数 ξ \xi ξ。

    首先在 [ a 1 , b 1 ] [a_1,b_1] [a1​,b1​]中取 { x n } \{x_n\} {xn​}中的某一项记为 x n 1 x_{n_1} xn1​​,然后由于 [ a 2 , b 2 ] [a_2,b_2] [a2​,b2​]中含有 { x n } \{x_n\} {xn​}的无穷多项,就一定存在一个序号大于 n 1 n_1 n1​的项,记为 x n 2 x_{n_2} xn2​​,依此进行,可以在 [ a k , b k ] [a_k,b_k] [ak​,bk​]中找到 x n k x_{n_k} xnk​​,这样就得到了数列 { x n } \{x_n\} {xn​}的一个子列 { x n k } \{x_{n_k}\} {xnk​​},满足 a k ≤ x n k ≤ b k a_k\le x_{n_k}\le b_k ak​≤xnk​​≤bk​,两边同时取极限就得到 lim ⁡ k → ∞ x n k = ξ \lim\limits_{k\to \infty} x_{n_k}=\xi k→∞lim​xnk​​=ξ。

    用致密性定理证明Cauchy收敛准则

    定义(基本数列):如果数列 { x n } \{x_n\} {xn​}具有以下特性:对于任意给定的 ε > 0 \varepsilon>0 ε>0,存在正整数 N N N,使得当 n , m > N n,m>N n,m>N时成立 ∣ x n − x m ∣ < ε |x_n-x_m|<\varepsilon ∣xn​−xm​∣<ε,则称数列 { x n } \{x_n\} {xn​}是一个基本数列。

    命题(Cauchy收敛准则):数列 { x n } \{x_n\} {xn​}收敛的充分必要条件是 { x n } \{x_n\} {xn​}是基本数列。

    证明:先证必要性,如果 { x n } \{x_n\} {xn​}收敛于 a a a,则 ∀ ε > 0 , ∃ N , ∀ n > N , ∣ x n − a ∣ < ε \forall \varepsilon>0,\exist N,\forall n>N,|x_n-a|<\varepsilon ∀ε>0,∃N,∀n>N,∣xn​−a∣<ε,那么对于 n , m > N n,m>N n,m>N,有 ∣ x n − x m ∣ = ∣ ( x n − a ) − ( x m − a ) ∣ ≤ ∣ x n − a ∣ + ∣ x m − a ∣ < 2 ε . |x_n-x_m|= |(x_n-a)-(x_m-a)|\le |x_n-a|+|x_m-a|<2\varepsilon. ∣xn​−xm​∣=∣(xn​−a)−(xm​−a)∣≤∣xn​−a∣+∣xm​−a∣<2ε. 就说明 { x n } \{x_n\} {xn​}是一个基本数列。下证充分性。

    先证明基本数列的有界性,取 ε 0 = 1 \varepsilon_0=1 ε0​=1,则 ∃ N 0 \exist N_0 ∃N0​, ∀ n > N 0 \forall n>N_0 ∀n>N0​,取 m = N 0 m=N_0 m=N0​,有 ∣ x n − x m ∣ = ∣ x n − x N 0 ∣ < 1 , x n ∈ [ x N 0 − 1 , x N 0 + 1 ] , |x_n-x_m|=|x_n-x_{N_0}|<1,\quad x_n\in [x_{N_0}-1,x_{N_0}+1], ∣xn​−xm​∣=∣xn​−xN0​​∣<1,xn​∈[xN0​​−1,xN0​​+1], 这就说明从 N 0 N_0 N0​项开始的 x n x_n xn​有界,即 { x n } \{x_n\} {xn​}有界,那么 { x n } \{x_n\} {xn​}中一定存在一个收敛子列 { x n k } \{x_{n_k}\} {xnk​​}收敛到 ξ \xi ξ。由基本列的定义, ∀ ε > 0 , ∃ N , ∀ n , m > N \forall \varepsilon >0,\exist N,\forall n,m>N ∀ε>0,∃N,∀n,m>N,有 ∣ x n − x m ∣ < ε , |x_n-x_m|<\varepsilon, ∣xn​−xm​∣<ε, 取 x m = x n k x_m=x_{n_k} xm​=xnk​​,并令 k k k充分大,使得 n k > N n_k>N nk​>N,再令 k → ∞ k\to \infty k→∞得到 ∣ x n − x m ∣ = ∣ x n − x n k ∣ → ∣ x n − ξ ∣ < ε |x_n-x_m|=|x_n-x_{n_k}|\to |x_n-\xi|<\varepsilon ∣xn​−xm​∣=∣xn​−xnk​​∣→∣xn​−ξ∣<ε

    lim ⁡ n → ∞ x n = ξ . \lim_{n\to \infty}x_n=\xi. n→∞lim​xn​=ξ.

    用Cauchy收敛准则证明确界存在定理

    先用Cauchy收敛准则证明闭区间套定理,再用闭区间套定理证明确界存在定理。

    对于一列闭区间套 { [ a n , b n ] } \{[a_n,b_n]\} {[an​,bn​]},满足 [ a n + 1 , b n + 1 ] ⊂ [ a n , b n ] [a_{n+1},b_{n+1}]\sub [a_n,b_n] [an+1​,bn+1​]⊂[an​,bn​]且 lim ⁡ n → ∞ ( b n − a n ) = 0 \lim\limits_{n\to \infty}(b_n-a_n)=0 n→∞lim​(bn​−an​)=0。可以证明 { a n } \{a_n\} {an​}是一个基本数列,因为对于 m > n m>n m>n,有 0 < a m − a n ≤ b n − a n → 0 ( n → ∞ ) . 0<a_m-a_n\le b_n-a_n\to 0\quad (n\to \infty). 0<am​−an​≤bn​−an​→0(n→∞). 从而由Cauchy收敛准则得到 lim ⁡ n → ∞ a n = ξ \lim\limits_{n\to \infty}a_n=\xi n→∞lim​an​=ξ,并进一步有 lim ⁡ n → ∞ b n = lim ⁡ n → ∞ ( b n − a n ) + lim ⁡ n → ∞ a n = ξ \lim\limits_{n\to \infty}b_n=\lim\limits_{n\to \infty}(b_n-a_n)+\lim\limits_{n\to \infty}a_n=\xi n→∞lim​bn​=n→∞lim​(bn​−an​)+n→∞lim​an​=ξ,再由 a n , b n a_n,b_n an​,bn​的单调性知 ξ \xi ξ是属于所有闭区间 [ a n , b n ] [a_n,b_n] [an​,bn​]的唯一实数,证得了闭区间套定理。

    设 S S S是非空有上界的实数集合, T T T是由 S S S的所有上界构成的集合,要证明 T T T有最小数,即 S S S有上确界。取 a 1 ∉ T , b 1 ∈ T a_1\notin T,b_1\in T a1​∈/​T,b1​∈T,显然 a 1 < b 1 a_1<b_1 a1​<b1​,设 m 1 m_1 m1​是区间 [ a 1 , b 1 ] [a_1,b_1] [a1​,b1​]的中点,则如果 m 1 ∈ T m_1\in T m1​∈T,就令 [ a 1 , m 1 ] = [ a 2 , b 2 ] [a_1,m_1]=[a_2,b_2] [a1​,m1​]=[a2​,b2​],否则令 [ m 1 , b 1 ] = [ a 2 , b 2 ] [m_1,b_1]=[a_2,b_2] [m1​,b1​]=[a2​,b2​],即始终保持新区间的两端点一个属于 T T T另一个不属于 T T T。按照此规则可以构造一个闭区间套 [ a n , b n ] [a_n,b_n] [an​,bn​],存在唯一实数 ξ \xi ξ属于所有的区间,只要证明 ξ ∈ T \xi\in T ξ∈T,就说明 ξ \xi ξ是集合 S S S的上确界。

    如果 ξ ∉ T \xi\notin T ξ∈/​T,则存在 x ∈ S x\in S x∈S, ξ < x \xi<x ξ<x,由 lim ⁡ n → ∞ b n = ξ \lim\limits_{n\to \infty}b_n=\xi n→∞lim​bn​=ξ可得,取 ε 0 = x − ξ 2 \varepsilon_0=\frac{x-\xi}{2} ε0​=2x−ξ​,有 ξ < b n < ξ + ε 0 < x \xi <b_n<\xi+\varepsilon_0<x ξ<bn​<ξ+ε0​<x,得到 b n < x b_n<x bn​<x,这与 b n b_n bn​是 S S S的上界矛盾。所以 ξ ∈ T \xi \in T ξ∈T,即 ξ \xi ξ是 S S S的上界。

    如果 η ∈ T \eta\in T η∈T但 η < ξ \eta<\xi η<ξ,则由 lim ⁡ n → ∞ a n = ξ \lim\limits_{n\to \infty}a_n=\xi n→∞lim​an​=ξ可得,取 ε 0 = ξ − η 2 \varepsilon _0=\frac{\xi-\eta}{2} ε0​=2ξ−η​,有 η < ξ − ε 0 < a n < ξ \eta<\xi-\varepsilon_0<a_n<\xi η<ξ−ε0​<an​<ξ,这与 a n ∉ T a_n\notin T an​∈/​T矛盾,所以 ξ \xi ξ是 S S S的最小上界,即上确界。

    由此,Cauchy收敛准则可推出确界存在定理。


    上面的五个定理的相互证明构成一个环,即 确 界 存 在 定 理 ⇒ 单 调 有 界 定 理 ⇒ 闭 区 间 套 定 理 ⇒ 致 密 性 定 理 ⇒ 柯 西 收 敛 准 则 ⇒ 确 界 存 在 定 理 . 确界存在定理\Rightarrow 单调有界定理\Rightarrow 闭区间套定理\Rightarrow 致密性定理\Rightarrow 柯西收敛准则\Rightarrow 确界存在定理. 确界存在定理⇒单调有界定理⇒闭区间套定理⇒致密性定理⇒柯西收敛准则⇒确界存在定理. 因此,以上五个定理是相互等价的,每一个都可以称为实数系的基本定理。

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