数集与确界原理.

S的最小的上界 称作 的上确界 的最小的上界,称作 的上确界. 的最小的上界 称作S的上确界 满足： 定义2 定义 设S是R中的一个数集 若数 η 满足： 是 中的一个数集 (i) 对一切 x ∈ S , 有 x ≤ η , η 即是 的上界； 即是S的上界 的上界； (ii) 对任何 α < η , 存在x0 ∈ S , 使得 x0 > α , 即 则称数
事实上，对任何正数 无论多么大 无论多么大)， 事实上，对任何正数M(无论多么大 ，取 则 n0 ∈ N + , 且 n0
n0 = [ M ] + 1, ([ M ]表示对M 取整)
问题: 问题 设 S
有无上界; 有无上界 = [0,1]. (1) S有无上界 (2) S若有上界 有几个上界 若有上界,有几个上界 若有上界 有几个上界; (3) S有无最小的上界 有无最小的上界. 有无最小的上界
数集.确界原理 §2数集 确界原理 数集 一 区间与邻域 为开区间， 设 a, b ∈ R, 且 a < b. 称数集 {x | a < x < b} 为开区间，记作 ( a, b) 称为闭区间，记作 数集 称为闭区间，
{x | a ≤ x ≤ b}
(a, b)
数集
{x | a ≤ x < b} [a, b) 都称为半开半闭区间， 都称为半开半闭区间，分别记作 ( a, b] { x | a < x ≤ b} b
例2 设
满足： 定义2 定义 设S是R中的一个数集 若数η 满足： 是 中的一个数集 (i) 对一切 x ∈ S , 有 x ≤ η , η 即是 的上界； 即是S的上界 的上界； η 又是 的最小上界， 的最小上界 (ii) 对任何 α < η , 存在x ∈ S , 使得 x0 > α ,即 又是S的最小上界， 则称数 证明: S = [0,1]. 证明 sup S = 1. 的上界； 的上界 证: (i) 对一切 x ∈ S , 有 x ≤ 1, η = 1 是S的上界； (ii) 对任何 α < 1, 取 x0 = 1 ∈ S , 则有 x0 > α , 故 sup S = 1. 例2 设 证明: = [0,1).证明: sup S = 1. 的上界； 的上界 证: (i) 对一切 x ∈ S , 有 x ≤ 1, η = 1 是S的上界； 则有任取 x0 ∈ S , (ii) 对任何 α < 1. 若 α < 0, 1+ α , 有 α < x0 . 有 α < x0 . 若 0 ≤ α < 1, 取 x0 = 2 sup S = 1. 例3 设 S 所以

关于实数完备性的6个基本定理
1. 确界原理； 2. 单调有界定理； 3. 区间套定理； 4. 有限覆盖定理; 5. 聚点定理; 6. 柯西收敛准则； 在实数系中这六个命题是相互等价的 。
在有理数系中这六个命题不成立 。
1. 确界原理 在实数系中，任意非空有上（下）界的数集
必有上（下）确界。
反例：S {x | x2 2, x Q},sup S 2, inf S 2, 即S在有理数集没有确界。确界原理在有理数域不成立。
5. 聚点定理 实数系中的任意有界无限点集至少有一个聚点。
反例： S {(1 1 )n | n Z }, n
S是有界的无限有理点集，在实数域内的聚点为e,
因而在必含有收敛子列。
反例：
{
xn
}
{(1
1 )n n
}是有理数系中的有界无穷数列,
实数完备性基本定理的等价性
实数基本定理等价性的路线 : 证明按以 下三条路线进行:
Ⅰ: 确界原理 单调有界原理 区间套 定理 Cauchy 收敛准则 确界原理 ; Ⅱ: 区间套定理 致密性定理 Cauchy 收敛准则 ; Ⅲ: 区间套定理 Heine–Borel 有限 复盖定理 区间套定理 .
任取H的有限个元素，构成集合H *,
H * {( x1 r1, x1 r1 ),( x2 r2 , x2 r2 ) ( xn rn , xn rn )}
由于H *中的开区间都不含 2，且2n个端点都是有理数， 设这2n个有理数中与 2最靠近的数为 r, 则在r与 2之间所有有理数都在上述n个区间之外。 即H的任意有限覆盖不能盖住[1,2]Q .
则 有理数域内构成闭区间套 [an,bn ]Q， 其在实数系内唯一的公共点为 2 Q.

1确界原理非空有上(下)界数集，必有上(下)确界。

2单调有界原理任何单调有界数列必有极限。

3区间套定理若{[a n , b n ]}ξ∈[an , bn], n = 1,2,。

是一个区间套, 则存在唯一一点ξ，使得4Heine-Borel 有限覆盖定理设[a,b] 是一个闭区间，H为[a,b] 上的一个开覆盖，则在H 中存在有限个开区间，它构成[a,b]上的一个覆盖。

5Weierstrass 聚点定理（Bolzano 致密性定理有界无穷数列必有收敛子列。

）直线上的有解无限点集至少有一个聚点。

6Cauchy 收敛准则数列{a n }收敛⇔对任给的正数ε，总存在某一个自然数N ，使得∀m, n >N 时，都有| am -an|<ε。

一.确界原理1.确界原理证明单调有界定理证不妨设{ a n}为有上界的递增数列.由确界原理,数列{ a n }有上确界,记a = sup{ a n}.下面证明a 就是{ a n} 的极限. 事实上,任给ε> 0, 按上确界的定义,存在数列{ a n }中某一项a N ,使得a - ε> a N .又由{ a n}的递增性,当n≥ N时有a - ε < a N ≤ a n.另一方面,由于a 是{ a n}的一个上界,故对一切a n 都有a n ≤ a < a + ε.所以当n≥ N 时有a - ε < a n < a + ε,这就证得a n = a.同理可证有下界的递减数列必有极限,且其极限即为它的下确界.2.确界原理证明区间套定理证明：１设［ａｎ，ｂｎ］是一个闭区间套，即满足：１）∀ｎ，［ａｎ＋１，ｂｎ＋１］⊂［ａｎ，ｂｎ］；２）ｂｎ－ａｎ＝我们证明，存在唯一的实数ξ，使得ξ∈［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ＝１，２，⋯）存在性：令Ｓ＝｛ａｎ｝，显然，Ｓ非空且有上界（任一ｂｎ都是其上界）.据确界原理，Ｓ有上确界，设supＳ＝ξ．现在，我们证明ζ属于每个闭区间［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ＝１，２，⋯）显然ａｎ≤ξ，（ｎ＝１，２，⋯）所以，我们只需证明对一切自然数ｎ，都有ξ≤ｂｎ．事实上，因为对一切自然数ｎ，ｂｎ都是Ｓ的上界，而上确界是上界中最小者，因此必有ξ≤ｂｎ，故我们证明了存在一实数ξ，使得ξ∈［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ＝１，２，⋯）唯一性: 假设还有另外一点ξ'∈R 且ξ'∈[a n , b n ] ，则| ξ-ξ'|≤| a n -b n | → 0,即ξ=ξ'。

《数学分析》研究的基本对象是定义在“实数集”上的函数，为此，我们要先学习一些实数理论，然后学习函数论，最后学习极限论！第一节 实数、数集、确界 一. 实数及其性质：1. (,0)p p q q q⎧⎧≠⎨⎪⎨⎩⎪⎩正分数有理数：为整数且或有限十进小数和无限十进循环小数实数负分数无理数：无限十进不循环小数[问题] 有理数，无理数的表示不统一，对统一讨论实数是不利的，为了讨论的需要，我们把“有限小数”（包括整数）也表示为“无限小数”．为此作如下规定：在此规定下，任何实数都可用一个确定的无限小数来表示，并且衍生出两个概念：对于正实数012n x a a a a = ，有理数012n n x a a a a = 称为实数x 的n 位不足近似；而有理数01211(1)10n n n n n x a a a a a x -=+=+称为实数x 的n 位过剩近似 对于负实数012n x a a a a =- ，有理数01201211(1)10n n n n n x a a a a a a a a a -=--=-+ 称为实数x 的n 位不足近似；而有理数01n n x a a a =- 称为实数x 的n 位过剩近似 规定：零的n 位不足近似为110n -，零的n 位过剩近似为110n 从而： 实数x 的n 位不足近似n x 单调增加：012n x x x x x ≤≤≤≤< ⇒n x 收敛于x实数x 的n 位过剩近似n x 单调减少：012n x x x x x ≥≥≥≥> ⇒n x 收敛于x2. 实数大小的比较：首先规定：正实数>零>负实数无限小数法比较：设01n x a a a = 、01n y b b b = 均为正实数，其中00,a b 为非负整数，k a ，k b (1,2,)k = 为整数且09,09k k a b ≤≤≤≤，若有,0,1,2,k k a b k == ，则称x 与y 相等，记为：x y =；若00a b <或存在非负整数l ，使得,0,1,2,,k k a b k l == 且11l l a b ++<，则称x 小于y ，记为：x y <；对于负实数x 、y ，按上述规定分别比较,x y --即可有限小数法比较：设01n x a a a = 、01n y b b b = 为两个实数，则：x y <⇔存在非负整数n ，使得n n x y <，其中n x 为x 的n 位过剩近似，n y 为y 的n 位不足近似例：设,x y为实x y <，求证：存在有理数r ，满足x r y <<3. 实数集{}|R x x =为实数的性质：封闭性：任意两个实数的和、差、积、商（除数不为零）仍然是实数 有序性：任意两个实数a b ，必满足a b a b a b <=>，，之一 传递性：若a b b c <<，，则a c <阿基米德性：,a b R ∀∈且0b a >>，则必n N +∃∈使得na b >稠密性：任意两个不相等的实数之间总有另一个实数，且既有有理数也有无理数 对应性：实数集R 与数轴上的点有着一一对应关系二. 绝对值：分析论证的基本工具1. 绝对值的定义：实数a 的绝对值,0||0a a a a a ≥⎧=⎨-<⎩2. 绝对值的几何意义：数a 的绝对值||a 就是点a 到原点的距离，从而||x a - 表示点x 与点a 的距离3. 绝对值的性质：0a b R δ∀∈>，，，则有：||||0a a =-≥，并且||00a a =⇔=||||a a a -≤≤；||||||ab a b =⋅；||||a ab b =（0b ≠） ||a a δδδ<⇔-<<；||a a δδδ≤⇔-≤≤ ||a a δδ>⇔>或a δ<-；||a a δδ≥⇔≥或a δ≤-||||||||||a b a b a b -≤±≤+{}max ,22a b a b a b -+=+ {}min ,22a ba b a b -+=- 三. 区间与邻域：1. 区间、闭区间套、分割以及分割的模：✧ {}{}{}{}{}{}{}{}{}(,)|[,]|[,)|(,]|[,)|(,]|(,)|(,)|(,)|a b x a x b x R a b x a x b x R a b x a x b x R a b x a x b x R a x x a x R a x x a x R a x x a x Ra x x a x R x x R ⎧⎧⎪=<<∈⎪⎪=≤≤∈⎨⎪=≤<∈⎧⎪⎪⎨⎪=<≤∈⎪⎩⎩⎨+∞=≥∈⎧⎪-∞=≤∈⎪⎪+∞=>∈⎨⎪-∞=<∈⎪⎪-∞+∞=∈⎩开区间，有限区间闭区间，闭开区间，半开半闭区间开闭区间，区间，，无限区间，，⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩，,a b R ∈且a b <✧ 闭区间套：如果闭区间列{}[,],1,2,3,n n a b n = 满足：1) 1122[,][,][,]n n a b a b a b ⊃⊃⊃⊃ 亦即123321n n a a a a b b b b ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤ 2)lim()0n n n b a →∞-=亦即当∞→n 时区间[,]n n a b 的长度趋于零则称闭区间列{}[,],1,2,3,n n a b n = 是一个递缩闭区间套，简称为闭区间套。