为什么这一节是转折
前面章节重点是“怎样构造数系”。这一节改问另一件事:这个数系的 次序结构是否足够强,去支持极限与分析。上界、下界、上确界、下确 界不是术语堆砌,而是从代数走向分析的核心桥梁。
全序
定义
全序
集合 配上关系 ,若对任意 都有
- (自反),
- 且 推得 (反对称),
- 且 推得 (传递),
- 或 (可比较),
就称为全序。
上下界与有界集合
定义
上界与下界
设 。
- 若对所有 都有 ,则
u是 的上界。 - 若对所有 都有 ,则 是 的下界。
例题
(0,1) 的上界
(0,1) 的上界很多,例如 1,2,100。其中最关键的是最小上界 1。
常见错误
最大值不等于上确界
的 ,但 ,所以它没有最大值。
上确界与下确界
定义
上确界与下确界
对非空 :
- :
s是上界,且任何上界u都满足 。 - :
t是下界,且任何下界 都满足 。
上确界常用等价判据:
当且仅当
s是上界,且对每个 ,都存在 使 。
完备性
定理
R 的最小上界性质
任何非空且有上界的 ,都在 中有上确界。
这就是序意义下的完备性。
例题
Q 中缺失的上确界
令
在 中其上确界是 ,但 ,所以同一集合在 里没有上确界。这说明 不完备。
快速检查
快速检查
若 A 有最大值 m,是否一定 sup A = m?
由定义判断。
解答
答案
快速检查
一个集合可否有上界但没有最大值?
试想开区间。
解答
答案
练习
快速检查
求 A={1-1/n : n in N} 的 sup 与 inf,并判断是否有最大值。
先列前几项,再看趋势。
解答
引导解答
快速检查
证明:B 非空且下有界时,inf B = -sup(-B)。
把下界语句翻译成 的上界语句。
解答
引导解答
先备链接
可先读 3.4 有理数与良定义运算 及 3.5 Q 的缺口与 sqrt(2)。