实数完备性定理在整个数学分析中的基础性地位.doc
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1、济南大学毕业论文摘 要本文阐述了实数集上七个基本定理及其相关内容. 以实数系的连续性为公理, 顺序证明.先以单个定理证明其他.其中重点证明了区间套定理及有限开覆盖定理与其他定理之间的等价关系.之后用不同于一般教材的证明顺序进行七个定理之间的循环证明, 从而得出它们相互等价的结论.最后,介绍其在连续函数性质等领域的重要应用,并进行了推广,进一步说明实数完备性定理在整个数学分析中的基础性地位.关键词:实数完备性;实数连续性;收敛点;有限开覆盖ABSTRACTIn this paper, seven fundamental theorems and related content set on th
2、e real number are described . To the continuity of the real number system for the justice, order that. First, I use a single theorem prove the others. The relationship between interval sets of theorems, finite open covering theorem and other theorems are focused on in this paper. After the cycle pro
3、of which is different from the normal one, I draw the conclusion of their equivalence to each other. Finally, I introduce the important application in the fields of continuous function of its nature. In the following, the application is extended. The basic position of the real completeness theorem i
4、n the mathematical analysis is showed strongly. Key words:Completeness of real numbers;real numbers continuity;convergent spots;limited open cover 目 录摘要.IABSTRACT.II1 前言.11.1.实数的引入.1 1.1.1域公理.1 1.1.2 全序公理.11.1.3 Archimedes公理.1 1.1.4完备性公理.21. 2实数七个基本定理的引入.2 1.2.1确界原理.2 1.2.1单调有界定理.21.2.3柯西准则.21.2.4致密
5、性定理.21.2.5聚点定理.21.2.6区间套定理.21.2.7有限开覆盖定理.32实数完备性定理的相互证明.43实数完备性定理的循环证明.10 3.1确界原理证明单调有界定理.10 3.2单调有界定理证明区间套定理.10 3.3 区间套定理证明有限开覆盖定理.10 3.4有限开覆盖定理证明聚点定理.103.5聚点定理证明致密性定理.113.6致密性定理证明柯西准则.113.7柯西准则证明确界原理.124实数完备性定理的应用14 4.1.实数完备性定理在闭区间上连续函数性质证明中的应用.144.2 应用推广.175结论.196参考文献.207致谢.21- 21 -1前言1.1.实数的引入 人
6、类对数的认识有着漫长的历史过程.最先了解的是自然数系,但随着人类认识的发展,自然数系的缺陷也暴露出来.首先,自然数系是离散的,其次自然数系中只能进行加法与乘法运算,不能进行逆运算.负数与分数的出现克服了这些缺陷.看似完美的有理数系也有缺陷,尽管它在直线上是“稠密”的,但仍然留有数不胜数的“空隙”,后来人们由不可公度发现了一种数(15世纪,达芬奇将其称为“无理的数”)可以与这些“空隙”对应.于是无理数逐渐被人们接受.关于实数,历史上出现过各种定义,传统的定义方法有两种,一是戴德金(Dedekind)用“划分法”定义实数,二是康托(Contor)用有理数的“基本数列”之等价类来定义实数.此处不做详
7、述,关于实数的各种定义形式不同,但彼此等价.以下引入4组公理:1.1.1域公理 ,有1)交换律:, ;2)结合律:+(+); 3)分配率:(+)+;4)有特殊成员0与1 ,且满足 , ; 5),有逆元,关于加为,关于乘为且满足+()0,.1.1.2全序公理1)必有且仅有以下关系之一成立,=,2)传递性,则;3)“加法”相容 ,R,则;4)乘法相容 , .1.1.3 Archimedes公理, ,使得.与有理数不同,实数具有完备性.1.1.4完备性公理有上界的非空集合必有上确界.人们发现用什么样的方法来定义实数并无太大关系,有了以上4组公理,数学分析的全部理论就可以建立起来,人们干脆以公理系统来
8、定义实数.所谓的实数空间是这样的集合:其上定义“+”“”运算,以及关系满足上述四组公理,中的元素称为实数.实数的完备性公理等价于说,如果把实数分为上下两个集,当下集没有最大值时,上集必有最小值,这说明实数具有连续性,填满整个数轴.1.2实数七个基本定理的引入实数的七个基本定理从不同的形式刻画了实数的连续性,其实他们是彼此等价的.定理1.2.1 确界原理 任何非空集合,若它有上界必有上确界 (若有下界必有下确界).定理1.2.2 单调有界原理 任何单调递增(递减)有上界(下界)数列必有极限.定理1.2.3 柯西准则 序列收敛,等价于当,时,.定理1.2.4 致密性定理 任何有界无穷数列必有收敛子
9、列.定理1.2.5 聚点定理 任何有界无穷数列,至少有一个聚点.定理1.2.6 区间套定理 1)单调递增,单调递减,且, 2)则 称为区间套,这时必存在唯一的一点使得 .定理1.2.7有限开覆盖定理 闭区间上任意一个开覆盖,必有有限子覆盖,设为闭区间,上一个开覆盖,则从中可以选出有限个开区间来覆盖,.定理1.2.11.2.6指出,在某一条件下,有某种“点”存在,分别为“确界点”,“极限点”,“子列收敛点”,“聚点”,“公共点”.定理1.2.7属于前6个定理的逆否形式.2实数完备性定理的相互证明 由于区间套定理与有限开覆盖定理在证明问题时往往需要较高的构造技巧,下面我们分别给出这两个定理与其他定
10、理之间的等价关系证明.2.1用定理1.2.11.2.5证明定理1.2.6区间套定理2.1.1定理1.2.1定理1.2.6证明:假设1)单调递增,单调递减, 2)由得有上界,所以有上确界,,且.易见有下界,由确界原理有下确界,且满足.又由条件2)即所求公共点.再证唯一性, 假设存在满足条件,则,故有.证毕.2.1.2定理1.2.2定理1.2.6证明:由区间套的定义可知, 各闭区间的端点满足:所以, 为递增有界数列, 依单调有界定理, 数列必有极限.设 且 , (1) 同理递减有界数列也有极限, 又由区间套定义2) ()0得 且, (2) 联合(1),(2)即得,下证是唯一的.设另有一数满足 ,则
11、有-,而 (-)0故=,证毕.2.1.3定理1.2.3定理1.2.6证明:由可得,所以,存在,当时,由柯西准则,收敛,即存在使得,此处即为所求的公共点.2.1.4定理1.2.4定理1.2.6证明:是单调无穷有界数列,由致密性定理,其含收敛子列,又由单调数列与其收敛子列收敛于同一极限,设,此处即为所求的公共点.2.1.5定理1.2.5定理1.2.6此处证明是显然的,无须赘述.2.2用定理1.2.6证明定理1.2.11.2.52.2.1定理1.2.6证明定理1.2.1证明:设为的上界()来证明, 若有最大值,即为上确界,自不必证; 若无最大值,将,二等分,若右半部分中含有的点,则取右半部分,且记为
12、,否则记左半部分,.然后将,再二等分,同样方法记为,,如此无限进行下去,得一区间,,单调递增,单调递减,且-()0().由区间套定理可知存在唯一的,. 下证为的上确界,由,得取法可知,对,由保号性得为的上界.又,得,即为的上确界. 证毕. 2.2.2定理1.2.6证明定理1.2.2证明:设单调递增,且,同上将,分割.取法如上,得区间套,及其公共点.对每个区间,肯定有,且, ,由迫敛性得 证毕. 2.2.3定理1.2.6证明定理1.2.3证明:由已知,,当,时,现取定得,得,即有界,得存在,使得.将,二等分,其中含无穷多项的一半记为,然后将,再二等分,其中含无穷多项的一半记为,.如此无限进行下去
13、,得一区间,且-()0().所以,存在公共点.下证其为的收敛点,U(),又,中含有的无穷多项,所以U()中含有的无穷多项,换言之对在U()外只有有限项,即得,证毕. 2.2.4定理1.2.6证明定理1.2.4证明:无穷列且,证明如上将,二等分,其中含无穷多项的一半记为,然后将,再二等分,其中含无穷多项的一半记为,如此无限进行下去,得一区间套,.在每个,中相应的取,由且,可得,得为的收敛子列,证毕. 2.2.5定理1.2.6证明定理1.2.5证明:方法同上,得区间套,且,含有公共点.,U(),而U()中含有的无穷多项,所以,为的聚点,证毕.2.3用定理1.2.7证明定理1.2.11.2.6(反证
14、法)2.3.1定理1.2.7证明定理1.2.1证明:设且,有.,考虑闭区间,假若没有上确界,那么,)1) 当为的上界时,必有更小的上界,因而存在,使得=U(,),其中皆为的上界;2) 当不为的上界时,必有中的点, 存在,使得=U(,),其中每一点皆不是的上界.,上每一点都找出一个邻域,它要么是第一类,要么属于第二类.这些邻域:,,组成闭区间,的一个开覆盖.由有限开覆盖定理,必存在有限子覆盖.点所在的开区间应为第一类,与点所在区间相邻接的区间与所在区间有公共点,为第一类,如此下去,经过有限次相邻接,可知所在的开区间也是第一类的,这就得出矛盾.证毕.2.3.2定理1.2.7证明定理1.2.2证明:
15、设单调递增,且,假设不存在,得区间,.由单调递增知,对,存在一个邻域,使得中除中心点外,其余与不相交,这些邻域:, 组成闭区间,的一个开覆盖.由有限开覆盖定理,必存在有限子覆盖,由的有限性,必存在某个邻域其中含有的无穷多项,这与的极限不存在矛盾,证毕.证明柯西准则与致密性定理方法同上,此不做赘述. 2.3.3定理1.2.7证明定理1.2.5证明:设为无穷集,且,存在,使得,.假设中没有聚点,则存在,的开覆盖:,使得中除中心点外,与再无交点.由有限开覆盖定理,必存在有限子覆盖.由该覆盖的有限及的无穷知,必存在某个邻域其中含有的无穷多项,矛盾,证毕.2.3.4定理1.2.7证明定理1.2.6证明:
16、设单调递增,单调递减,0()假设不存在这样的,满足,且.则对每一点,可以找到开邻域U(,)使得至少某个,与不相交,否则即为所求的.像这样的邻域U(,):组成 ,的一个覆盖,由有限开覆盖定理,必存在有限子覆盖.对每个至少某个,与之不相交.取,当时,与每个不相交,这与子覆盖覆盖整个,矛盾.2.4用定理1.2.11.2.6证明定理1.2.7(反证法与二等分法)2.4.1定理1.2.6证明定理1.2.7证明:假设某一区间,的某一开覆盖没有有限子覆盖,将,二等分,至少有一半不能被有限个子覆盖所包含.此处仅以定理1.2.6为例做一证明.将不能为的有限子覆盖盖住的半个区间记为,再二等分,如上,仍然至少有半个
17、区间不能为的有限子覆盖盖住,记为,如此无限进行下去,得一区间套,其中单调递增,单调递减,且().其中每一个+皆不能被的有限子覆盖盖住.有区间套定理,存在一点,为,的唯一公共点,由于,所以当足够大以后,存在以为中心的邻域(,),使得,显然说明,已被(,)所覆盖,与假设矛盾,证毕.同理可用定理1.2.11.2.5证明之,所不同之处是,分别为的上确界,极限,子列极限,聚点,此处不做赘述.3.实数完备性定理的循环证明上面以区间套定理,有限开覆盖定理两个极具特殊性的定理为例论述了实数完备性七个基本定理中个别定理与其余定理之间的相互推证关系,以下采用不同于一般教材的方法顺序进一步对七个定理做循环证明,说明
18、他们之间的等价关系.实数完备性的七个基本定理,只是形式不同,其实都是描述实数连续性(完备性)的,是等价的.以下按照这样的循环来证明:确界原理单调有界定理区间套定理有限开覆盖定理聚点定理致密性定理柯西准则确界原理.3.1由确界原理证明单调有界定理证明: 不妨设是递增有上界数列.由确界原理, 数列有上确界, 令sup, 下证明就是的极限.事实上, 任给 ,依上确界的定义, 存在数列中某个项. 使得, 又由的递增性, 当 时, 都有-.另一方面, 由于 是的一个上界, 故对一切 都有 , 因而更有 + .于是有: 任给0, 存在自然数, 使得当时, 都有-+ , 即同理可证, 有下界的单调数列也有极
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- 实数 完备 定理 整个 数学分析 中的 基础性 地位