【摘 要】本文应用两种定义的方式说明确界,并通过例题加以说明和区别。同时采用了反证法对确界原理加以简单证明。
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【关键词】数集 确界 确界原理
【中图分类号】O17 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2014)24-0087-01
一 关于数集上下确界的精确定义
设S是R中的一个数集,若η满足:(1)对一切x∈S,有x≤η,即η是S的一个上界;(2)对任何α<η,存在x0∈S,使得x0>α,即η又是S的最小上界,则称η为数集S的下确界,记作η=sup S。
同理可定义下确界ξ=inf S。
例1,设数集S有上确界,证明η=sup S∈S是η=max S的充分必要条件。
证明:充分性:设η=sup S∈S,对一切x∈S有x≤η,而η∈S,于是η是数集S中最大的数,即η=max S。
必要性:设η=max S,则η∈S。下面应用上述定义证明η是S的上确界:(1)对一切x∈S,有x≤η,即η是S的上界;(2)对任何的α<η,只须取x0=η∈S则x0>α。从而满足定义,即η=sup S。
二 关于数集上下确界的第二种定义
设S是R中的一个非空数集,若实数η满足:(1)对任意x∈S有,x≤η,即η是S的一个上界;(2)对任意的ε>0,存在x0∈S,使得x0+ε>η(或x0>η-ε),即η又是S的最小上界,则称η为数集S的下确界,记作η=sup S。
同理可定义下确界ξ=inf S。
例2,设A与B都是非空有界数集,定义数集A+B={z|z=x+y,x∈A,y∈B}。请证明:sup(A+B)=supA+supB。
证明:对任意的c∈A+B,存在a∈A,b∈B,使得c=a+b,则设supA=η1,supB=η2,于是a≤η1,b≤η2,c≤η1+η2。因此η1+η2是A+B的一个上界。
对于任意正数ε存在a∈A,b∈B,使得a>η1-,
b>η2-。于是,a+b∈A+B,并且a+b>(η1+η2)-ε,
于是sup(A+B)=η1+η2,即sup(A+B)=supA+supB。
三 关于数集的确界原理
设S为非空数集。若S有上界,则S必有上确界;若S有下界,则S必有下确界。
例3,设f(x),g(x)在D上有界,请证明:
。
证明:。即
是f(x)+g(x)在D上的一个下界。有下确界定
义,有。
另一方面,由下确界的定义,
。
所以,
。
综上可得,
。
四 用反证法证明确界原理
这里只证明有上界就必有上确界。
证明:设S是非空有上界的数集,即存在M,使得对一切x∈S有M≥x。所以再令E={y|y是S的上界,y≤M},因为M∈E,所以E是非空集合。
任取y1,y2∈E,对于所有的0≤α≤1,有αy1+(1-α)y2∈E,所以E是一个连续的区间。
下面证E中存在最小的数,是S的上确界。
假设E中不存在最小的数,即E=(-∞,M]或E=(a,M]。
当E=(-∞,M]时,即-∞是S的上界,所以S必为空集,这与S≠?矛盾。
当E=(a,M]时,由aE可知a不是S的上界。所
以存在x0∈S,使得x0>a恒成立。所以,且
。即不是S的上界,即E… (1)
显然,当E=(a,M]时,必有∈E…(2)。(1)
与(2)矛盾,所以E=(a,M]不成立。
综上有E中存在最小的数,不妨记作η,则η=sup S
五 关于确界的拓展
若把±∞补充到数集中,则任意非空数集都有上下确界(正常的或非正常的)。
例如,对于正整数集N+有inf N+=1,sup N+=+∞;对于数集S={y|y=2-x2,x∈R}有inf S=-∞,sup S=2。
参考文献
[1]华东师范大学数学系.数学分析・上册(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2011
[2]任亲谋.数学分析选讲[M].西安:陕西师范大学出版社,2008
[3]肖娟、邱德华.确界原理的一个简单证明[J].衡阳师范学院学报,2005(12)
〔责任编辑:李锦雯〕