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实数理论中的几个等价定理 1 序言 实数理论中的七个定理,都从不同形式上刻画了实数的连续性(或称完备性),他们之间是彼此等价的.其中区间套定理、实数基本定理、单调有界定理、确界定理、紧致性定理、Cauchy收敛原理属于同一类型.它们都指出:在某一条件下,使有某种点存在.分别是:公共点、实数点、极限点、确界、某子序列的收敛点、极限点.有限覆盖定理是另一种类型,他是前六个定理的逆否形式,不论是用前六个定理来证明有限覆盖定理,还是用有限覆盖定理分别证明前六个定理,都可以用反证法.文章将采用一条新的循环路径给出这七个定理的等价性证明. 2 七个等价定理的内容 定理1(区间套定理)设是一个区间套,则必有唯一的实数,使得包含在所有的 区间套里,即. 定理2(实数基本定理)实数系按戴德金连续性准则是连续的,即对的任一分划, 都存在唯一的实数,它大于或等于下类的每一实数,小于或等于上类的每一个实数. 定理3(单调有界定理)单调上升(下降)有上(下)界的数列必有极限存在. 定理4(确界定理)在实数系内,非空的有上(下)界的数集必有上(下)确界存在. 定理5(有限覆盖定理)实数闭区间的任一个开覆盖,必存在有限的子覆盖. 定理6(紧致性定理)有界无穷数列必有收敛子数列. 定理7(Cauchy收敛原理)在实数系中,数列有极限存在的充分必要条件是:任给, 存在,当时,有. 3 等价性证明 3.1 区间套定理实数基本定理 证 已知实数分划,求证存在唯一的使对有. 任取,用中点二等分,若,则记 , 否则记 . 再用中点二等分,若,则记 , 否则记 . 如此进行下去得一区间序列,显然,且. 因此为区间套. 由定理1知,存在唯一的满足,且 . 所以对. 定理2得证. 3.2 实数基本定理单调有界定理 证 设数列单调上升有上界. 令是全体上界组成的集合,即 , 而,则是实数的一个分划. 事实上,由有上界知不是空集.又单调上升,故,即不是空集. 由知为全体实数. 又,则,使,故是实数的一个分划.根据实数基本定理, 使得 对,,有. 下证. 事实上,对,由于,知,使得 . 又单调上升.故当时,有 . 注意到,便有 . 故当时,于是 . 这就证明了. 若单调下降有下界,则令 , 则就单调上升有上界,从而有极限 . 定理3得证. 3.3 单调有界定理确界定理 证 只需证明在实数系内,非空的有上界的数集必有上确界存在. 设数集非空,且有上界.则,使得 对,有. 又因为是全序集,所以对与有且只有一个成立. 故,有与有且只有一个成立.故是的上界与不是的上界有且只有一个成立.因为有上界,所以实数是的上界. 若不存在实数不是的上界,则由上知,任意实数都是的上界,这显然与非空矛盾. 故,使得不是的上界,是的上界.则使得 . 用的中点二等分,如果是的上界,则取 ,; 如果不是的上界,则取 ,. 继续用二等分,如果是的上界,则取 ; 如果 不是的上界,则取 . 如此继续下去,便得到两串序列. 其中都不是的上界且单调上升有上界(例如),都是的上界且单调下降有下界(例). 并且 (当时). 单调上升有上界知有存在,使得 . 下证. 事实上,所以对,当时有.又因为 都不是上 界,所以对每一个, ,使得.故对,使得 . 若,使得,则由 , 可知 . 故,使得.又都是的上界,故对有 . 而,故,这是不可能的.故对,有 . 综上可得.即有上确界存在. 同理可证有下界的情况. 定理4得证. 3.4 确界定理有限覆盖定理 证 设有一个开覆盖,定义数集 . 因为 , 使得 . 所以 ,, 得非空. 由的定义知,若,则 , 故若无上界,则 , 也即有的有限子覆盖. 若有上界,由定理4知有上确界.若,则 , 使 ,, 所以 . 因为 , 所以 , 有的有限子覆盖.而显然被覆盖, 所以 , 又知道 , 这与矛盾. 所以 , 则,得有的有限子覆盖. 定理5得证. 3.5 有限覆盖定理紧致性定理 证 设数列有界,即,且,有 如果无收敛子数列,则对使得只有有限个 . 事实上:如果不然,即,对,有中有无限个.选定 , 再选,使 . 这是办得到的,因为包含数列的无限多项.再取,使 . 如此继续下去,便得到的一子数列.令,则有 . 又因为 , 所以与反证假设矛盾. 又以这样的作为元素组成的集合显然是的一覆盖,记为.则由有限覆盖定理知有的有限子覆盖.而中的每个元素都只包含的有限项,有限个有限的数相加仍为有限数,故只包含的有限项.这与 矛盾,故必有收敛子数列,即有界数列必有收敛子数列. 定理6得证. 3.6 紧致性定理Cauchy收敛原理 证 (必要性)设在实数系中,数列有极限存在,则 使得只要,有 (记). 因此只要,就有 . 注:Cauchy收敛原理条件的必要性可以从三角不等式直接推得,

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