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数学学论文毕业论文实数完备性基本定理等价性的证明.docVIP

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数学学论文毕业论文实数完备性基本定理等价性的证明

实数完备性基本定理等价性的证明 摘要 本文通过循环证明对实数完备性基本定理的等价性作出了证明. 关键词 实数完备性基本定理 等价性 循环证明 §1 引 在这一节,主要对本文所用到的定义,定理及推论作以介绍. 定义 设闭区间列具有如下性质: (i), ; (ii)=0, 则称为闭区间套,或简称区间套. 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. 单调有界定理 在实数系中,有界的单调数列必有极限. 区间套定理 若是一个闭区间套,则在实数中存在唯一的一点 ,使得即 推论 若 是区间套所确定的点,则对任给的 0,存在N 0,使得当nN 时有 . 有限覆盖定理 设H为闭区间 的一个(无限)开覆盖,则从H中可选出有限个开区间来覆盖 . 聚点定理 实数轴上任一有限无界点集 S至少有一个聚点. 柯西收敛准则 数列 收敛的充要条件是:对任给的0 ,存在正整数N,使得当n,mN 时有 〈. §2 六大基本定理等价性的证明 本节就是对六大基本定理等价性的证明.首先列出证明过程的基本框架: 确界原理 单调有界定理 区间套定理 柯西收敛准则 聚点定理 有限覆盖定理 下面就是这个循环证明的过程. 1 由确界原理证明单调有界定理 证 不妨设为 有上界的递增数列. 由确界原理,数列有上确界.记 a=sup . 下面证明 a就是 的极限 . 事实上,任给 〉0 ,按上确界的定义,存在数列 中某一项,使得a-〈 . 又由 的递增性,当nN 时有 a- . 另一方面,由于a是 的一个上界,故对一切, 都有aa+. 所以当 nN 时有 a-a+, 这就证得=a. 同理可证有下界的递减数列必有极限,且其极限即为它的下确界. 由单调有界定理证明区间套定理 证 由区间套的定义,各闭区间的端点满足如下不等式: 即 为递增有界数列,依单调有界定理, 有极限 ,且有 (1) 同理,递减有界数列 也有极限,并按区间套的条件(ii)有 (2) 且 , (3) 联合(1)及(3)即得. , (4) 最后证明满足(4)的 是唯一的 ,设数 也满足, 则由(4)式有 , 由区间套的条件(ii)得 故有 . 由区间套定理证明有限覆盖定理 证 用反证法 假设定理的结论不成立,即不能用H 中有限个开区间来覆盖 . 将 等分为两个子区间,则其中至少有一个子区间不能用H中有限个开区间来覆盖. 记这个子区间为 ,则 ,且 . 再将 等分为两个子区间,同样,其中至少有一个子区间不能用H 中有限个开区间来覆盖. 记这个子区间为 ,则 ,且 . 重复上述步骤并不断进行下去,则得到一个闭区间列 ,它满足 . 即 是区间套,且其中每一个闭区间都不能用H 中有限个开区间来覆盖. 由区间套定理,存在唯一的一点 ,n=1,2,…. 由于H 是 的一个开覆盖,故存在开区间H ,使. 于是,由区间套定理推论,当n 充分大时有 . 这表明 只须用H 中的一个开区间 就能覆盖,与挑选 时的假设“不能H 中有限个开区间来覆盖”相矛盾. 从而证得必存在属于H 的有限个开区间能覆盖 . 4 由有限覆盖定理证明聚点定理 证 设A 为有界无限点集 .那么存在正数M0 ,使得 A . 假设 中任意点都不是A 的聚点,则对任意一点x, 必存在相应的0 使得在 中至多有A 的有限个点. 记 ,则H 为A 的一个开覆盖 . 由有限覆盖定理,在H 中可以找到有限个开区间覆盖. 记为 ,从而更能覆盖A . 因内至多含有A 中有限个点,从而 A 为有限点集,与假设“ A 是有界无限点集”矛盾 . 故区间 中至少有一个集合 A 的聚点,即集合A 至少有一个聚点. 5 由聚点定理证明柯西收敛准则 证 先证条件的必要性: 设 ,则对

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