定理一實數基本定理(戴德金實數連續性定理)實數系r按戴德金連續性準這是連續的,即對r的任意分劃a|b,都存在唯一的實數r,它大於或等於下類a的每一實數。小於或等於上類b中的每乙個實數。
定理二單調有界有極限單調上公升(下降)有上(下)界的數列必有極限存在。
定理三確界定理在實數系r內,非空的有上(下)界的數集必有上(下)確界存在。
定理四區間套定理設是乙個區間套,則必有唯一的實數r,使得r包含在所有的區間套裡,即 。
定理五 borel有限覆蓋定理實數閉區間的任乙個覆蓋e,必存在有限的子覆蓋。
定理六 bolzano-weierstrass緊緻性定理有界數列必有收斂子數列。
定理七 cauchy收斂原理在實數系中,數列有極限存在的充分必要條件是:任給 >0,存在n,當n>n,m>n時,有 。
定理一 — 三是對實數連續性的描述,定理四 — 定理六是對實數閉區間的緊緻性的描
述,定理七是對實數完備性的描述。上述七個定理都描述了實數的連續性(或稱完備性),
它們都是等價的。下面給出其等價性的證明:
定理一定理二:設數列單調上公升有上界。令b是全體上界組成的集合,即
b= ,而a=r\b,則a|b是實數的乙個分劃。事實上,由有上界知b不
空。又單調上公升,故 ,即a不空。由a=r\b知a、b不漏。又 ,
則 ,使 ,即a、b不亂。故a|b是實數的乙個分劃。根據實數基本定理,
存在唯一的使得對任意 ,任意 ,有 。下證 。事實上,
對 ,由於 ,知 ,使得 。又單調上公升。故當n>n時,
有 。注意到 ,便有 。故當n>n時有
,於是 。這就證明了 。若單調下降有下界,
則令 ,則就單調上公升有上界,從而有極限。設極限為r,則
。定理二證完。
定理二定理三:只需證明在實數系r內,非空的有上界的數集必有上確界存在。設數集
x非空,且有上界。則 ,使得對 ,有 。又 r是全序集, 對 ,
與有且只有乙個成立。故 ,有與有且只有乙個成
立。故r是x的上界與r不是x的上界有且只有乙個成立。 x有上界, 實數是x的
上界。若不存在實數不是x的上界,則由上知, 實數都是x的上界,這顯然與x非空矛
盾。故 ,使得不是x的上界, 是x的上界。則使得 。
用的中點二等分 ,如果是x的上界,則取
;如果不是x的上界,則取 。繼續用
二等分 ,如果是x的上界,則取 ;如果
不是x的上界,則取 。如此繼續下去,便得到兩串序列
。其中都不是x的上界且單調上公升有上界(例如 ), 都是x的上界且
單調下降有下界(例如 )。並且 (當時)。由單調上公升
有上界知有存在,使得 。下證 。①事實上 , 對
, ,當時有 。又都不是x上界對每乙個 ,
,使得 。故對 , ,使得 。②若
,使得 ,則由知 。故
,使得 。又都是x的上界,故對有 。而 ,
故 ,這是不可能的。故對 ,有 。綜上①、②即有 。即x
有上確界存在。
定理三定理四:由條件知集合非空,且有上界(例如 )。故由確
界定理知a有上確界,記為 。則對 ,有 。同理可知集合
有下確界,記為 。則對 ,有 。又 ,
由上可知 。 兩邊取極限,令有 。又顯然 。否則
由於是a的上確界,則 ,使得 ;同理 ,使得 ,則有
。又由區間套的構造可知,對 ,記k=max(n,m),則有
。故有 ,矛盾。故必有 。故 ,記為r。則對 ,
有 。下證具有這一性質的點是唯一的。用反證法,如果還有另一 ,使得
。由於對一切n成立,故 ,令
,得 ,與矛盾。故這樣的r是唯一的,即存在唯一的實數r,使得r
包含在所有的區間裡,即 。
定理四定理五:用反證法。設e是區間的乙個覆蓋,但沒有e的有限子覆蓋。
記 ,二等分 ,則必有一區間沒有e的有限子覆蓋(否則把兩區間的e
的有限子覆蓋的元素合起來構成一新的集合e』,則e』是的e的有限子覆蓋,即有
e的有限子覆蓋與反證假設矛盾),記其為 。二等分 ,則必有一區間沒有e
的有限子覆蓋,記為 。如此繼續下去,得到一組實數的閉區間序列
,滿足(i) ;
(ii) 。故構成乙個區間套,且每個都沒有
e的有限子覆蓋。則由區間套定理有存在唯一的實數r,使得 。又
由覆蓋的定義有 ,使得 ,即 。又由上區間套定理的證明
可知 ,其中 。故 ,
使得 , ,使得 。設 ,則
,即有覆蓋 。這與沒
有e的有限子覆蓋的構造矛盾,故必有e的有限子覆蓋。
定理五定理六:設數列有界,即實數 a,b,且a
反證法,如果無收斂子數列,則對 ,使得只有有限
個 。(如果不然,即 ,對 ,有中有無限
個 。選定 ,再選 ,使 。這是辦得到的,因
為包含數列的無限多項。再取 ,使 。如此繼續下
去,便得到的一子數列 。令 ,則有 。
又 , 與反證假設矛盾)。又以這樣的
作為元素組成的集合顯然是的一覆蓋,記為e。則由borel有限覆蓋定理知有e
的有限子覆蓋。而e中的每個元素都只包含的有限項,有限個有限的數相加仍為有限
數,故只包含的有限項。這與矛盾,故必有收斂子數
列,即有界數列必有收斂子數列。
定理六定理七:必要性:設在實數系中,數列有極限存在,則 , ,
使得只要 ,有 (記 )。因此只要 ,就有
。必要性得證。
充分性:設在實數系中,數列滿足: , ,當
時,有 ,即是基本列。先證是有界的。事實上,取
,則 ,使得當時,有 。取定一 ,則
有 。取 ,
則有 。這就證明了是有界的。再證明有極限存在。由
bolzano-weierstrass緊緻性定理可知有子數列 ,使得存在,記為a。下證
。事實上, ,由題設知 ,當時,有 。
又 , ,只要 ,就有 。取 ,
則只要 ,選取 ,就有 。這就證
明了 。即有極限存在。充分性得證。
綜上,定理七證完。
定理七定理一:對任意給定的實數r的分劃a|b, a、b非空, 可任取點
。又分劃滿足不亂, 。用的中點二等分 ,
如果 ,則取 ;如果 。則取
。( 分劃滿足不漏, 對任意實數,或者屬於a,或者屬於b。故
或 。)繼續用二等分 ,如果 ,則取
;如果 ,則取 。如此繼續下去,
便得到兩串序列 。其中單調上公升有上界(例如 ), 單調下降有
下界(例如 ),並且 (當時)。下面用柯西收斂原理來證明
存在。事實上如果不然,則 , , ,有 。
不妨設 ,由單調上公升有 。 對上式都成立
( ), 取 ,並把所得的不等式相加得 。其中
k為不等式的個數。故 ,當時。而由n的取法可知對每乙個
k都有相應的n』與之對應,即有相應的與之對應。故對 , ,使得
。即無界,與有界矛盾。故存在,記為r。下證對
,有 。這等價於證明對 ,有 。事實上,
,由知 ,使 。故 。而對 ,由
知 。故 ,使 。從而 ,這就證明了 ,即證明了實
數基本定理。
綜上,這就證明了這七個定理是等價的。而從證明過程來看:定理二定理三的方法
可用於定理二定理四及定理四定理三;定理七定理一的方法可運用於定理七定
理二,定理二定理四,定理四定理一。而這並不構成邏輯迴圈,因為我們已用十進小
數證明了實數基本定理。而這其實是用無限不迴圈小數方法來定義無理數。事實上我們還可
以用戴德金分割法、康托基本序列法或魏爾斯特拉斯的單調有界序列法來定義無理數,這都
能構成反映實數本質的實數公理系統。
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