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4.1 序、界与完备性

用全序与上确界语言精确说明:为什么 R 完备而 Q 不完备。

笔记系列

MATH1090:集合论

以严谨课程笔记方式整理的逻辑、集合与数系构造笔记,按相互关联的小节撰写,重视证明与例子。

章节 1

逻辑

处理陈述、连接词与量词的推理工具。

章节 2

集合与关系

基本的集合语言、函数与关系。

章节 3

由构造得到的数系

自然数、整数与有理数如何构造,以及 Q 还欠缺什么。

章节 4

序与完备性

全序、上下界、上确界与下确界,以及 Q 与 R 的完备性差异。

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 SS 配上关系 \le,若对任意 a,b,cSa,b,c\in S 都有

  1. aaa\le a(自反),
  2. aba\le bbab\le a 推得 a=ba=b(反对称),
  3. aba\le bbcb\le c 推得 aca\le c(传递),
  4. aba\le bbab\le a(可比较),

就称为全序。

上下界与有界集合

定义

上界与下界

ARA\subseteq R

  • 若对所有 xAx\in A 都有 xux\le u,则 uAA 的上界。
  • 若对所有 xAx\in A 都有 x\ell\le x,则 \ellAA 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

A=(0,1)A=(0,1)supA=1\sup A=1,但 1A1\notin A,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 ARA\subseteq R

  • s=supAs=\sup As 是上界,且任何上界 u 都满足 sus\le u
  • t=infAt=\inf At 是下界,且任何下界 \ell 都满足 t\ell\le t

上确界常用等价判据:

s=supAs=\sup A 当且仅当 s 是上界,且对每个 ε>0\varepsilon>0,都存在 aAa\in A 使 sε<ass-\varepsilon<a\le s

完备性

定理

R 的最小上界性质

任何非空且有上界的 ARA\subseteq R,都在 RR 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

A={qQ:q>0, q2<2}.A=\{q\in Q:q>0,\ q^2<2\}.

RR 中其上确界是 2\sqrt2,但 2Q\sqrt2\notin Q,所以同一集合在 QQ 里没有上确界。这说明 QQ 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 B-B 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3.5 Q 的缺口与 sqrt(2)

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