关于实数系连续性定理的等价性证明

对关于实数系连续性定理的介绍及其等价性的证明

本文由AGRKxxf编写, 非YRLHappy.

我们有如下关于实数系连续性的定理:

  1. 确界原理(及与之等价的 Dedekind\text{Dedekind} 分割定理);

  2. 单调有界定理;

  3. 闭区间套定理;

  4. 有限覆盖定理;

  5. 聚点原理(及其推论Bolzano−Weierstrass\mathrm{Bolzano-Weierstrass} 定理);

  6. Cauchy\text{Cauchy} 收敛准则和实数系的 Archimedes\text{Archimedes} 性质(及与前者等价的 Banach\text{Banach} 不动点定理).

接下来,我们将依次介绍这些定理,并给出其等价性的证明.

注:本文中的“数集”一词均指由一族实数组成的集合,即 R\R 的子集,记号 A⊂BA\sub B 表示前者是后者的真子集,本文中的“单调性”指的是“不严格的单调性”,因此 f(x)≡1f(x)\equiv1 也是单调上升的函数.

本文参考了各大《数学分析》教材.

确界原理

定义 对于 R\mathbb R 的子集 EE ,若存在实数 MM 满足 ∀x∈E,  x≤M\forall x\in E,\;x\le M ,则称集合 EE 有上界 MM ;下界的定义同理.若一个集合既有上界又有下界,则称该集合有界.

定义 称集合 EE 的全体上界中的最小者为 EE 的上确界(记为 sup⁡E\sup E ),下确界(记为 inf⁡E\inf E )的定义同理.

确界原理 对于任意非空有上(下)界数集 EE ,其必有上(下)确界.

下给出与之等价的 Dedekind\text{Dedekind} 分割定理,在此之前,先来介绍分划的定义.

定义 对于一个非空且其元素间有大小关系(大于、小于或等于三者仅居其一)的集合 EE ,若集合 S∪T=ES\cup T=E ,满足下述条件:

  • S∩T=∅S\cap T=\varnothing ;

  • 对 ∀s∈S,  t∈T\forall s\in S,\;t\in T ,总有 s<ts<t ,且 ∃σ∈S\exist \sigma\in S 使 s<σs<\sigma (即 SS 中的元素 总比 TT 中的小,且 SS 中没有最大元素);

我们就称这样的集合 S,TS,T 构成了 EE 的一个分划 (S∣T)E(S|T)_E .

容易看出,对于 Q\mathbb Q 的任意分划 (S∣T)Q(S|T)_{\mathbb Q} ,若 TT 中有最小元素,则 (S∣T)Q(S|T)_{\mathbb Q} 实际上和有理数一一对应;于是类似地将 TT 中没有最小元素的分划 (S∣T)Q(S|T)_{\mathbb Q} 定义为无理数,并规定其大小关系和运算规则等等(碍于篇幅有限,此处从略),记 R={Q的分划(S∣T)Q}\mathbb R=\{\mathbb Q的分划(S|T)_{\mathbb Q}\} 为全体实数组成的集合.

Dedekind\text{Dedekind} 分割定理 (1′)(1') 对于 R\mathbb R 的任意分划 (S∣T)R(S|T)_\R , TT 中总是有最小元素.

证明:

先证明 1′⇒11'\Rightarrow1 ,这里只给出有上界的情况下的证明,有下界的情况是类似的. 设 EE 是一个非空有上界的数集,不妨设其无最大者,否则取其最大者 M=max⁡EM=\max E 即满足 M=sup⁡EM=\sup E ,于是在这样的假设下,其上界组成一个非空集合 TT ,取 S={σ∈R:σ∉T}S=\{\sigma\in\mathbb R:\sigma\notin T\} ,显然满足 S∪T=RS\cup T=\R , S∩T=∅S\cap T=\varnothing . 现证明如下几点性质:

  1. SS 中没有最大者;

  2. 对 ∀s∈S,  t∈T\forall s\in S,\;t\in T ,总有 s<ts<t .

这二者可以容易地同时证明出,对于任意 τ∈T‾\underline{\tau\in T} , ε∈E‾\underline{\varepsilon\in E} ,必有 ε≤τ\varepsilon\le\tau ,更进一步地,可以证明 ε<τ‾\underline{\varepsilon<\tau} . 事实上,若不然,则 ε∈T={τ:τ≥E,∀E∈E}\varepsilon\in T=\{\tau:\tau\ge\Epsilon,\forall\Epsilon\in E\} ,这就与 EE 中无最大者相矛盾. 进而由 S∪T=RS\cup T=\R 可知 E⊂SE\sub S 必然成立. 接着,若任取一个 s∈Ss\in S ,则必然有一个 ε∈E\varepsilon\in E ,使 ε>s\varepsilon>s 成立. 进而由 E⊂SE\sub S 知 11 成立,再由本段的下划线结论可知 22 成立. 综上,集合 SS 和 TT 构成了 R\R 的一个分划. 依 Dedekind\text{Dedekind} 分割定理 (1′)(1') 知,存在 T=min⁡T\Tau=\min T 使 T\Tau 成为 EE 的上确界.

接下来,我们证明 1⇒1′1\Rightarrow1' ,设集合 SS 和 TT 构成 R\R 的一个分划,现在证明 TT 有最小者. 由分划的定义,我们知道 TT 中的所有元素都是 SS 的上界. 更进一步还可断言 SS 没有其它的(不在 TT 中的)上界了. (事实上,若不然,则这一上界 ss 既然不属于 TT ,那么必然属于 SS ,这与 SS 中的元素无最大者相矛盾)依确界原理, SS 有最小上界 ς=min⁡T\varsigma=\min T . □\square

单调有界定理

单调有界定理 若序列 {xn}\{x_n\} 单调上升(下降),且有上(下)界,则序列 {xn}\{x_n\} 收敛.

其中序列定义为:设一个函数 f:N+→Rf:\N_+\to\R ,称 {xn=f(n):n=1,2,3,⋯ }\{x_n=f(n):n=1,2,3,\cdots\} 是一个序列. 值得注意的是,尽管都记作 {xn}\{x_n\} ,但集合 {xn}\{x_n\} 与序列 {xn}\{x_n\} 有差别,后者是按照 n∈N+n\in\N_+ 从小到大的顺序排列的,且允许有重复项. 序列的单调性定义为相应的函数 f(n)f(n) 的单调性,序列的有界性定义为相应的函数 f(n)f(n) 的有界性.

而若存在一个实数 AA ,使得序列 {xn}\{x_n\} 满足对于任意 ε>0\varepsilon>0 , ∃N∈N+\exists N\in\N_+ ,只要正整数 n>Nn>N ,就有 ∣xn−A∣<ε|x_n-A|<\varepsilon ,则称序列 {xn}\{x_n\} 收敛,以 AA 为极限;反之称序列 {xn}\{x_n\} 发散.

1⇒21\Rightarrow2 的证明:

这里仅证明序列 {xn}\{x_n\} 单调上升有上界的情形,对于单调下降有下界的情形,证明是类似的.

由于序列 {xn}\{x_n\} 单调上升,可得对任给的正整数 NN ,当 n>Nn>N 时有

xN≤xnx_N\le x_n.

由于 {xn}\{x_n\} 有上界,则数集 {xn}\{x_n\} 有上确界,记为 M=sup⁡EM=\sup E ,由于 MM 是 {xn}\{x_n\} 全体上界中的最小者,因此对于 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 , M−εM-\varepsilon 均非 {xn}\{x_n\} 的上界,即 ∃N∈N+,xN>M−ε\exists N\in\N_+,x_N>M-\varepsilon ,因此当 n>Nn>N 时,有

M−ε<xN≤xn≤M<M+εM-\varepsilon<x_N\le x_n\le M<M+\varepsilon,

也即

∣xn−M∣<ε|x_n-M|<\varepsilon.

这表明 lim⁡n→∞xn=M=sup⁡E\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=M=\sup E 成立. □\square

为了后文叙述方便,我们来证明序列极限的一个性质.

保序性 设序列 {xn}\{x_n\} 和 {yn}\{y_n\} 分别收敛于 xx 和 yy ,且存在一个 N∈N+N\in\N_+ ,当正整数 n>Nn>N 时,就总有

xn≥yn,x_n\ge y_n,

那么必然有

x≥y.x\ge y.

证明

考虑用反证法证明,倘若命题不真,则 y>xy>x ,则对 ε0=y−x2>0\varepsilon_0=\dfrac{y-x}2>0 , ∃N1∈N+\exist N_1\in\N_+ ,当 n>N1n>N_1 时,有

xn−x<y−x2,x_n-x<\dfrac{y-x}2,

y−yn<y−x2,y-y_n<\dfrac{y-x}2,

将上述两式相加,化简有

xn<yn,x_n<y_n,

取一个正整数 n>max⁡{N,N1}n>\max\{N,N_1\} ,发现上式和 xn≥ynx_n\ge y_n 同时成立,矛盾. □\square

闭区间套定理

设一列闭区间 {[an,bn]}\{[a_n,b_n]\} 满足[an+1,bn+1]⊆[an,bn],  n=1,2,3,⋯[a_{n+1},b_{n+1}]\subseteq[a_n,b_n],\;n=1,2,3,\cdots ,则 {an},  {bn}\{a_n\},\;\{b_n\} 均收敛(分别记其极限为 a,  ba,\;b ),且有

⋂n=1∞[an,bn]={x:a≤x≤b}\displaystyle\bigcap_{n=1}^\infty[a_n,b_n]=\{x:a\le x\le b\} .

特别当 a=ba=b 也即 lim⁡n→∞(bn−an)=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(b_n-a_n)=0 时,有

⋂n=1∞[an,bn]=a=b\displaystyle\bigcap_{n=1}^\infty[a_n,b_n]=a=b ,

即存在唯一正实数 ξ\xi ,使 ξ∈[an,bn],  n=1,2,3,⋯\xi\in[a_n,b_n],\;n=1,2,3,\cdots . 此即闭区间套定理.

2⇒32\Rightarrow3 的证明:

由 [an+1,bn+1]⊆[an,bn],  n=1,2,3,⋯[a_{n+1},b_{n+1}]\subseteq[a_n,b_n],\;n=1,2,3,\cdots ,知 {an}\{a_n\} 单调上升, {bn}\{b_n\} 单调下降,且 an<bna_n<b_n ,这表明 {an}\{a_n\} 单调上升有上界( b1b_1 即其上界之一), {bn}\{b_n\} 单调下降有下界( a1a_1 即其下界之一),因此二者均收敛,分别记其极限为 a,  ba,\;b .

依极限的保序性有

an≤a=sup⁡{an}≤inf⁡{bn}=b≤bna_n\le a=\sup\{a_n\}\le\inf\{b_n\}=b\le b_n .

这表明 ∀a≤x≤b,  an≤a≤x≤b≤bn  (n∈N+)\forall a\le x\le b,\;a_n\le a\le x\le b\le b_n\;(n\in\N_+) .

若另有 an≤ξ≤bn,  (n∈N+)a_n\le\xi\le b_n,\;(n\in\N_+) ,则 a≤ξ≤ba\le\xi\le b . 这就证明了

⋂n=1∞[an,bn]={x:a≤x≤b}\displaystyle\bigcap_{n=1}^\infty[a_n,b_n]=\{x:a\le x\le b\} .

若另给条件 lim⁡n→∞(bn−an)=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(b_n-a_n)=0 ,则有 a=ba=b ,即

⋂n=1∞[an,bn]=a=b\displaystyle\bigcap_{n=1}^\infty[a_n,b_n]=a=b . □\square

有限覆盖定理

定义 对于数集 EE ,若有一族开区间 {(an,bn)}n∈N\{(a_n,b_n)\}_{n\in N} 满足

E⊆⋃n∈N(an,bn)\displaystyle E\subseteq\bigcup_{n\in N}(a_n,b_n)

(其中 NN 是一个指标集, N⊆NN\subseteq\N ),则称 {(an,bn)}n∈N\{(a_n,b_n)\}_{n\in N} 是 EE 的一个开覆盖. 若 {(an,bn)}n∈N\{(a_n,b_n)\}_{n\in N} 还是一个有限集合(即其中只有有限个元素),则称之为 EE 的有限开覆盖.

有限覆盖定理 若 [a,b][a,b] 有开覆盖 F={(ξn,ηn)}n∈N\mathcal F=\{(\xi_n,\eta_n)\}_{n\in N} ,则其中必然存在有限个开区间组成的集合,使它亦为 [a,b][a,b] 的开覆盖,即存在 [a,b][a,b] 的有限开覆盖 F′={(ξ1,η1),⋯ ,(ξn,ηn)}\mathcal F' =\{(\xi_1,\eta_1),\cdots,(\xi_n,\eta_n)\} 使 F′⊂{(ξn,ηn)}n∈N\mathcal F'\sub\{(\xi_n,\eta_n)\}_{n\in N} .

3⇒43\Rightarrow4 的证明:

用反证法证明,倘若不然,对任意 F\mathcal F 的有限子集 F′\mathcal F' ,将 [a,b][a,b] 二等分成两个闭区间,则其中必然至少有一者不能被 F′\mathcal F' 覆盖,记之为 [a1,b1][a_1,b_1] ;再继续将 [a1,b1][a_1,b_1] 二等分,则其中必然至少有一者不能被 F′\mathcal F' 覆盖,记之为 [a2,b2][a_2,b_2] ……以此类推,我们就得到了一列闭区间 {[an,bn]}\{[a_n,b_n]\} ,满足:

  • [an,bn]⊂[an−1,bn−1],  ∀n∈N+[a_n,b_n]\sub[a_{n-1},b_{n-1}],\;\forall n\in\N_+ ;

  • bn−an→0  (n→∞)b_n-a_n\to0\;(n\to\infty) (因为 [an,bn][a_n,b_n] 是由 [a,b][a,b] 经过若干次二等分得到的);

  • F\mathcal F 的任意有限子集都不是 [an,bn][a_n,b_n] 的开覆盖.

因此依闭区间套定理,知 {an},  {bn}\{a_n\},\;\{b_n\} 均收敛于相同极限 cc ,且c∈[an,bn],  n=1,2,3⋯c\in[a_n,b_n],\;n=1,2,3\cdots ,即

an≤c≤bna_n\le c\le b_n ,

又因为 F\mathcal F 是 [a,b][a,b] 的开覆盖,则在其中有 (ξ,η)(\xi,\eta) ,使 c∈(ξ,η)c\in(\xi,\eta) .依极限的保序性,对充分大的 nn ,有

ξ≤an≤c≤bn≤η\xi\le a_n\le c\le b_n\le\eta .

这意味着 {(ξ,η)}\{(\xi,\eta)\} 覆盖了 [an,bn][a_n,b_n] ,这与 F\mathcal F 的任意有限子集都不是 [an,bn][a_n,b_n] 的开覆盖相矛盾. □\square

聚点原理

定义 对于数集 EE ,若有实数 x0x_0 满足对于 ∀δ>0\forall\delta>0 ,满足 ∅≠(x0−δ,x0+δ)∩E≠{x0}\varnothing\ne(x_0-\delta,x_0+\delta)\cap E\ne\{x_0\} (即 ((x0−δ,x0)∪(x0,x0+δ))∩E≠∅((x_0-\delta,x_0)\cup(x_0,x_0+\delta))\cap E\ne\varnothing ),则称 x0x_0 是 EE 的一个聚点.

聚点原理 任意有界无穷数集(无穷数集指该集合中有无穷个元素)必有聚点.

4⇒54\Rightarrow5 的证明:

设一个无穷数集 EE ,由其有界性,则存在 M>0M>0 ,使 E⊂[−M,M]E\sub[-M,M] .采用反证法证明,若不然,则 ∀x∈R\forall x\in\R , xx 都不是 EE 的聚点,因此 ∃δx>0,(x−δx,x+δx)∩E={x}\exists \delta_x>0,(x-\delta_x,x+\delta_x)\cap E=\{x\} . 全体 x∈[−M,M]x\in[-M,M] 对应的 (x−δx,x+δx)(x-\delta_x,x+\delta_x) 显然组成了 [−M,M][-M,M] 的一个开覆盖,因此在其中必有有限个开区间 (x1−δx1,x1+δx1),⋯ ,(xn−δxn,xn+δxn)(x_1-\delta_{x_1},x_1+\delta_{x_1}),\cdots,(x_n-\delta_{x_n},x_n+\delta_{x_n}) 也组成了 [−M,M][-M,M] 的开覆盖,而由于 E⊂[−M,M]E\sub[-M,M] ,则有:

E⊂⋃i=1n(xi−δxi,xi+δxi)\displaystyle E\sub\bigcup_{i=1}^n(x_i-\delta_{x_i},x_i+\delta_{x_i}) ,

这表明

E=E∩(⋃i=1n(xi−δxi,xi+δxi))={x1,⋯ ,xn}\displaystyle E=E\cap\left(\bigcup_{i=1}^n(x_i-\delta_{x_i},x_i+\delta_{x_i})\right)=\{x_1,\cdots,x_n\} ,

这与 EE 是无穷数集矛盾. □\square

该定理还有如下推论:

Bolzano−Weierstrass\mathrm{Bolzano-Weierstrass} 定理 任意有界序列必有收敛的子列.

其中定义一个序列 {xn}\{x_n\} 的子列为:设增函数 f:N+→N+f:\N_+\to\N_+ ,则称 {xnk}\{x_{n_k}\} 是 {xn}\{x_n\} 的一个子列,其中 nk=f(k)n_k=f(k) .

证明:

首先,为了便于表述,我们引入一个符号 U0(η,ε)={x∈R:0<∣x−η∣<ε}U_0(\eta,\varepsilon)=\{x\in\mathbb R:0<|x-\eta|<\varepsilon\} .

若该序列只由有限个数组成,则其必然有无穷多项等于同一个数,这无穷多项构成了一个每项都相同的子序列,此时该序列即为原序列的收敛子列,定理成立.

现设该序列 {xn}\{x_n\} 由无穷个数组成,则由任意大的 n>Nn>N 所对应的 xnx_n 组成的序列 {xn:n>N}\{x_n:n>N\} 也会由无穷个数组成,这是因为 {xn:n≤N}\{x_n:n\le N\} 是由有限个数(不超过 NN 个)组成的.

依聚点原理,必然存在一个实数 aa ,使得对于 δ1=1\delta_1=1 ,必然 ∃xξ1∈{xn}\exists x_{\xi_1}\in\{x_n\} ,使 xξ1∈U0(a,δ1)x_{\xi_1}\in U_0(a,\delta_1) ;

对于 δ2=min⁡{12,xξ1}\delta_2=\min\left\{\dfrac12,x_{\xi_1}\right\} , ∃xξ2∈{xn:n>ξ1}\exists x_{\xi_2}\in\{x_n:n>\xi_1\} ,使 xξ2∈U0(a,δ2)x_{\xi_2}\in U_0(a,\delta_2) ;

依此类推,对于 δn=min⁡{1n,xξn−1}\delta_n=\min\left\{\dfrac1n,x_{\xi_{n-1}}\right\} , ∃xξn∈{xn:n>ξn−1}\exists x_{\xi_n}\in\{x_n:n>\xi_{n-1}\} ,使 xξn∈U0(a,δn)x_{\xi_n}\in U_0(a,\delta_n) .

这样,就得到了 {xn}\{x_n\} 的一个子列 {xξn}\{x_{\xi_n}\} ,且满足 ∣xξn−a∣<1n\left|x_{\xi_n}-a\right|<\dfrac1n ,由此推出 lim⁡n→∞xξn=a\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_{\xi_n}=a . □\square

Cauchy\text{Cauchy} 收敛准则 | Archimedes\text{Archimedes} 性质

定义 若序列 {xn}\{x_n\} 满足:对于 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 , ∃N∈N+\exists N\in\N_+ ,只要正整数 m,n>Nm,n>N ,就有 ∣xn−xm∣<ε|x_n-x_m|<\varepsilon ,则称序列 {xn}\{x_n\} 是一个 Cauchy\text{Cauchy} 序列.

Cauchy\text{Cauchy} 收敛准则 序列 {xn}\{x_n\} 收敛的充分必要条件是它是一个 Cauchy\text{Cauchy} 序列.

5⇒65\Rightarrow6 的证明:

必要性 倘若序列 {xn}\{x_n\} 有极限 lim⁡n→∞xn=A\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=A ,则对 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 , ∃N∈N+\exists N\in\N_+ ,只要正整数 m,n>Nm,n>N ,就有:

{∣xn−A∣<ε2;∣xm−A∣<ε2.\left\{\begin{aligned}|x_n-A|&<\dfrac\varepsilon2;\\|x_m-A|&<\dfrac\varepsilon2.\end{aligned}\right.

将上述两式相加得到:

∣xn−xm∣≤∣xn−A∣+∣xm−A∣<ε.|x_n-x_m|\le|x_n-A|+|x_m-A|<\varepsilon.

充分性 先证明 Cauchy\text{Cauchy} 序列 {xn}\{x_n\} 是有界的. 取定 ε0=1\varepsilon_0=1 ,则 ∃N∈N+\exists N\in\N_+ ,只要正整数 n>Nn>N ,就有

∣xn−xN+1∣<ε0=1 ⇒ xN+1−1<xn<xN+1+1 ⇒ ∣xn∣<max⁡{∣xN+1+1∣,∣xN+1−1∣}.|x_n-x_{N+1}|<\varepsilon_0=1\:\Rightarrow\: x_{N+1}-1<x_n<x_{N+1}+1\:\Rightarrow\:|x_n|<\max\{|x_{N+1}+1|,|x_{N+1}-1|\}.

于是对任意的 n∈N+n\in\N_+ ,只要取 M=max⁡{∣xN+1+1∣,∣xN+1−1∣,∣x1∣,∣x2∣,⋯ ,∣xN∣}>0M=\max\{|x_{N+1}+1|,|x_{N+1}-1|,|x_1|,|x_2|,\cdots,|x_N|\}>0 ,则必有 ∣xn∣<M.|x_n|<M. 这说明 Cauchy\text{Cauchy} 序列 {xn}\{x_n\} 是有界的.

接下来,由于序列 {xn}\{x_n\} 有界,根据Bolzano−Weierstrass\mathrm{Bolzano-Weierstrass} 定理,该序列必有一个收敛的子列 {xnk}\{x_{n_k}\} 以 AA 为极限.

由于 {xn}\{x_n\} 是 Cauchy\text{Cauchy} 序列,对 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 , ∃N∈N+\exists N\in\N_+ ,只要正整数 m,n>Nm,n>N ,就有

∣xm−xn∣<ε2;|x_m-x_n|<\dfrac\varepsilon2;

而由 lim⁡k→∞xnk=A\displaystyle\lim_{k\to\infty}x_{n_k}=A ,又 ∃K∈N+\exist K\in\N_+ ,只要正整数 (nk≥)k>K(n_k\ge)k>K ,就有

∣xnk−A∣<ε2;|x_{n_k}-A|<\dfrac\varepsilon2;

现在取 ν=max⁡{N,K}\nu=\max\{N,K\} ,这样一来,当 k,n>νk,n>\nu (相应的会有 k>Kk>K 且 nk,n>Nn_k,n>N)时,就会满足:

∣xnk−xn∣<ε2;|x_{n_k}-x_n|<\dfrac\varepsilon2;

∣xnk−A∣<ε2;|x_{n_k}-A|<\dfrac\varepsilon2;

将上面两个式子相加,就得证了. □\square

Archimedes\text{Archimedes} 性质 对于一个有序域 A\mathfrak A ,如果其中的任意两个正元素 a,b∈Aa,b\in\mathfrak A ,都存在一个正整数 nn ,使得

a⋅n>b,a\cdot n> b,

(事实上,容易看出若是上式成立,则满足这样条件的正整数 nn 不止一个,因为若是 nn 满足上述条件,则比它更大的正整数也将满足上式)

则称这个有序域是一个 Archimedes\text{Archimedes} 有序域,上述性质称为 Archimedes\text{Archimedes} 性质.

定理 R\R 具有 Archimedes\text{Archimedes} 性质(即是一个 Archimedes\text{Archimedes} 有序域).

注:

这个性质描述了实数系不囿于上,也就是说,不存在 h∈R\frak h\in\R 满足 h=max⁡R\frak h=\max\R .这是因为倘若不然,则这样的 h\frak h 将超过了所有正整数 n=n⋅1n=n\cdot1 ,这就与 Archimedes\text{Archimedes} 性质相矛盾.

尽管这一定理似乎是显然的,我们还是从确界原理出发作证明.

证明:

应用反证法,倘若这一定理不真,那么存在 a,b∈Ra,b\in\R ,使得对于 ∀n∈N+\forall n\in\N_+ ,总有 a⋅n<ba\cdot n<b .那么集合

S={an:n∈N+}\frak S=\{an:n\in\N_+\}

就是一个非空(其中至少有元素 aa 属于之)有上界( bb )的数集,因而必然存在上确界 s=sup⁡S\frak s=\sup\frak S ,这就意味着 s−a<s\frak s-a<\frak s 不是集合 S\frak S 的上界了. 即 S\frak S 中必然存在一个元素 an∈Sa\frak n\in\frak S ( n∈N+\frak n\in\N_+ ),使得 an>s−aa\frak n>\frak s-a ,也即

a(n+1)>s.a(\frak n+1)>\frak s.

但是 a(n+1)∈Sa(\frak n+1)\in\frak S ,这与 s\frak s 是 S\frak S 的上界相矛盾. □\square

现在,让我们来用 Cauchy\text{Cauchy} 收敛准则和 Archimedes\text{Archimedes} 性质来证明确界原理.

6⇒16\Rightarrow1 的证明:

我们只证明非空有上界的数集 SS 具有上确界,对于非空有下界的情形可以通过对逐个元素取负转化为本情形.

尝试构造两个序列,其一(记为 {xn}\{x_n\} )的每一项全是 SS 中的元素,另一(记为 {yn}\{y_n\} )的每一项都是 SS 的上界,并设法让他们收敛于同一个数,这样, xnx_n 和 yny_n 就分别从两个方向夹住上确界了. 倘若 SS 有最大元素,则其上确界就是其最大元素,现在假设 SS 无最大元素,这样一来, SS 中的任一元素都不是其上界.

我们先随便取两个数作为起点,由于 SS 非空,而其上界组成的集合 T={x∈R:x≥s,∀s∈S}T=\{x\in\R:x\ge s,\forall s\in S\} 也非空,任取 x1∈Sx_1\in S , y1∈Ty_1\in T ,则 xn≠yn(∀n∈N+)x_n\ne y_n(\forall n\in\N_+) 现在我们来递推地构造后面的项:

命 c1=x1+y12∈(x1,y1)c_1=\dfrac{x_1+y_1}2\in(x_1,y_1) ,则分两种情况讨论:

倘若 c1c_1 是 SS 的上界,那么可以把 y2y_2 取得更小一些,命 y2=c1y_2=c_1 ,而 x2=x1x_2=x_1 ;

又若 c1c_1 不是 SS 的上界,那么 x2x_2 就可以取得大一些,命 x2=c1x_2=c_1 ,而 y2=y1y_2=y_1 .

接下来,可以重复上述过程,一般地来说,在对 xn+1,yn+1x_{n+1},y_{n+1} 下定义时,可以按照下述方法进行:命 cn=xn+yn2∈(xn,yn)c_n=\dfrac{x_n+y_n}2\in(x_n,y_n) ,

倘若 cnc_n 是 SS 的上界,命 yn+1=cny_{n+1}=c_n , xn+1=xnx_{n+1}=x_n ;

又若 cnc_n 不是 SS 的上界,命 xn+1=cnx_{n+1}=c_n , yn+1=yny_{n+1}=y_n .

现在,我们得到了两个序列 {xn},{yn}\{x_n\},\{y_n\} ,满足:

  1. {xn}\{x_n\} 单调上升,而 {yn}\{y_n\} 单调下降(这一点根据序列的构造过程以及 cn∈(xn,yn)c_n\in(x_n,y_n) 这一点容易看出);

  2. {xn}⊆S\{x_n\}\subseteq S , {yn}⊆T\{y_n\}\subseteq T ;

  3. yn−xn=yn−1−xn−12 ⇒ yn−xn=y1−x12n−1y_n-x_n=\dfrac{y_{n-1}-x_{n-1}}2~\Rightarrow~y_n-x_n=\dfrac{y_1-x_1}{2^{n-1}} .

(这样一来,我们实际上是得到了一个闭区间套 [xn,yn][x_n,y_n] )

现在来用柯西收敛准则证明这两个序列都收敛于同一个值.

首先,按照定义,利用上面的 3 证明 {yn−xn}\{y_n-x_n\} 收敛于 0  0\; .

对于 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 ,由归纳法容易证明 2n>n, ∀n∈N+2^n>n,\:\forall n\in\N_+ . 这样一来,依实数系的 Archimedes\text{Archimedes} 性质,存在一个正整数 NN ,使得

0<y1−x1ε+1<N,0<\dfrac{y_1-x_1}\varepsilon+1<N,

因此对 ∀n>N,n∈N+\forall n>N, n\in\N_+ ,有

0<y1−x1ε+1<n.0<\dfrac{y_1-x_1}\varepsilon+1<n.

而 2n−1>n−12^{n-1}>n-1 ,就有

y1−x1ε<2n−1,\dfrac{y_1-x_1}\varepsilon<2^{n-1},

也就是

0<yn−xn=y1−x12n−1<ε.0<y_n-x_n=\dfrac{y_1-x_1}{2^{n-1}}<\varepsilon.

这就说明了 lim⁡n→∞(yn−xn)=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(y_n-x_n)=0 .

接下来,按照 Cauchy\text{Cauchy} 收敛准则,利用前面的 1 来证明 {xn}\{x_n\} 收敛.

对于 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 ,依前文所证 lim⁡n→∞(yn−xn)=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(y_n-x_n)=0 ,则 ∃N∈N+\exist N\in\N_+ ,使得当正整数 n>Nn>N 时,

yn−xn<ε,y_n-x_n<\varepsilon,

而由这两个序列的单调性,当 n≥m>Nn\ge m>N ,时,有

xm≤xn<ym,x_m\le x_n<y_m,

因此

0≤xn−xm<ym−xm<ε0\le x_n-x_m<y_m-x_m<\varepsilon

这说明 {xn}\{x_n\} 是一个 Cauchy\text{Cauchy} 序列,因此必然收敛,记 lim⁡n→∞xn=ξ\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=\xi .

这样一来,由于 lim⁡n→∞(yn−xn)=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(y_n-x_n)=0 ,可以证明 {yn}\{y_n\} 也收敛于 ξ\xi . 对 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 , ∃N∈N+\exist N\in\N_+ ,当正整数 n>Nn>N 时,将同时成立:

∣xn−ξ∣<ε2,|x_n-\xi|<\dfrac\varepsilon2,

∣xn−yn∣<ε2,|x_n-y_n|<\dfrac\varepsilon2,

将上述两式相加,就有

∣yn−ξ∣≤∣yn−xn∣+∣xn−ξ∣<ε.|y_n-\xi|\le|y_n-x_n|+|x_n-\xi|<\varepsilon.

现在,我们再来证明 xn≤ξ≤yn, ∀n∈N+x_n\le\xi\le y_n,~\forall n\in\N_+ (读者在阅读时可以暂时将这部分跳过,因为这是显然的,但这里为了保证证明过程的完整性,我们还是把这部分证明写了出来).

我们只证明第一个不等号成立,第二个不等号是同理的.

用反证法,假如第一个不等号不成立,则 ∃ν∈N+\exist\nu\in\N_+ , xν>ξx_\nu>\xi . 依 {xn}\{x_n\} 单调上升,则对 ∀n>ν,n∈N+\forall n>\nu,n\in\N_+ ,都将有 xn≥xν>ξx_n\ge x_\nu>\xi ,进而取 ε=xν−ξ>0\varepsilon=x_\nu-\xi>0 ,将有 xn−ξ>ε=xν−ξx_n-\xi>\varepsilon=x_\nu-\xi . 这就与 lim⁡n→∞xn=ξ\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=\xi 相矛盾了.

最后,只要证明 ξ\xi 是集合 SS 的上确界即可.

我们可以分别利用 xn→ξx_n\to\xi 和 yn→ξ (n→∞)y_n\to\xi~(n\to\infty) 来证明 ξ\xi 是上界且没有比 ξ\xi 更小的上界.

首先,倘若 ξ\xi 不是集合 SS 的上界,也就是有一个 s∈Ss\in S ,使得 s>ξs>\xi . 这样,我们记 ε0=s−ξ>0\varepsilon_0=s-\xi>0 ,则依 lim⁡n→∞yn=ξ\displaystyle\lim_{n\to\infty}y_n=\xi ,必然 ∃N∈N+\exist N\in\N_+ ,当正整数 n>Nn>N 时,有

yn−ξ<ε0=s−ξ ⇒ yn<s,y_n-\xi<\varepsilon_0=s-\xi~\Rightarrow~y_n<s,

然而后者与 {yn}⊆T={x∈R:x是S的上界}\{y_n\}\subseteq T=\{x\in\R:x是S的上界\} 相矛盾. 这说明 ξ\xi 必然是 SS 的上界

其次, 倘若 ξ\xi 不是集合 SS 的上确界,则说明存在一个 η∈R\eta\in\R ,即使 η\eta 比 ξ\xi 小,却也满足 η\eta 是 SS 的上界. 记 ε1=ξ−η>0\varepsilon_1=\xi-\eta>0 ,则 ∃N∈N+\exist N\in\N_+ ,当正整数 n>Nn>N 时,有

ξ−xn<ε1=ξ−η ⇒ xn>η,\xi-x_n<\varepsilon_1=\xi-\eta~\Rightarrow~x_n>\eta,

然而 xn∈Sx_n\in S ,这与 η\eta 是 SS 的上界相矛盾.

至此,我们就证明了存在这样的 ξ\xi ,它是 SS 的上确界. □\square

Banach\text{Banach} 不动点定理

定义(不动点) 设函数 f(x)f(x) ,若其定义域内有一 x0x_0 满足 x0=f(x0)x_0=f(x_0) ,称这一 xx 为函数 f(x)f(x) 的一个不动点.

定义(压缩映照) 设函数 f(x)f(x) 的定义域为 [a,b][a,b] ,倘若存在一个系数 q∈[0,1)q\in[0,1) ,对于任意的 x,y∈Rx,y\in\R ,都有

∣f(x)−f(y)∣≤q∣x−y∣,|f(x)-f(y)|\le q|x-y|,

且 f(x), f(y)∈[a,b]f(x),\,f(y)\in[a,b] ,那么称 f(x)f(x) 是一个压缩映照.

直观上讲,压缩映照把定义域中距离为 ∣x−y∣|x-y| 的两个数 x, yx,\,y ,映射到值域上距离更近的两个数 f(x), f(y)f(x),\,f(y) ——至于具体有多近?答为距离不会超过原来距离的 qq 倍.

对于一个压缩映照 f(x)f(x) ,我们可以通过如下的方法求其不动点的近似值(稍后我们将会解释这样的方法为何可行,并证明这样的不动点是惟一的). 以函数 f(x)=cos⁡ x,  x∈[0,1]f(x)=\cos\,x,\;x\in[0,1] 为例(该函数确实是一个压缩映照,我们暂不证明这一点),从定义域 [0,1][0,1] 中任取一个 x1x_1 作为起点——比如我们取 x1=1x_1=1 . 接下来,我们按照递推式 xn+1=f(xn)n∈N+x_{n+1}=f(x_n)_{n\in\N_+} ,反复迭代(这里通常要用计算器):

x1=cos⁡ x0=0.540302⋯ ,x_1=\cos\,x_0=0.540302\cdots,

x2=cos⁡ x1=0.857553⋯ ,x_2=\cos\,x_1=0.857553\cdots,

x3=cos⁡ x2=0.65429⋯ ,x_3=\cos\,x_2=0.65429\cdots,

x4=cos⁡ x3=0.79348⋯ ,x_4=\cos\,x_3=0.79348\cdots,

⋯\cdots

反复进行这一过程,我们会发现 xnx_n 会稳定于 0.7390850.739085 左右,这就是我们想要的不动点的近似值.

为什么呢?我们假定如上定义的序列 {xn}‾\underline{\{x_n\}} 收敛于 ξ\xi (稍后我们将证明只要 f(x)f(x) 是压缩映照,按照上述方式定义的序列总是收敛的),那么,我们在递推式 xn+1=f(xn)‾\underline{x_{n+1}=f(x_n)} 两边同时取极限,就有 ξ=f(ξ)‾\underline{\xi=f(\xi)} . 因此随着我们迭代的次数 n→∞n\to\infty ,所得的极限 ξ\xi 就是一个不动点.

现在,我们遗留了两个问题:

  1. 对于压缩映照 f(x)f(x) ,为何按照递推式 xn+1=f(xn)x_{n+1}=f(x_n) 定义的序列 {xn}\{x_n\} 总是收敛的?

  2. 为何压缩映照 f(x)f(x) 的不动点是惟一的?

下面的 Banach\text{Banach} 不动点定理(也叫压缩映照原理)的证明过程证明了上述两点.

Banach\text{Banach} 不动点定理(压缩映照原理) 任意压缩映照 f(x)f(x) 总有惟一不动点.

证明 设 f(x)f(x) 定义域为 [a,b][a,b] ,任取一个 x1∈[a,b]x_1\in[a,b] ,按照递推式 xn+1=f(xn), n∈N+x_{n+1}=f(x_n),\:n\in\N_+ 定义序列 {xn}\{x_n\} . 下面让我们来解决上述的问题 1. ,即证明序列 {xn}\{x_n\} 收敛. 按照压缩映照的定义,对任意 m,n∈{x∈N:x>1}m,n\in\{x\in\N:x>1\} (不妨设 m>nm>n )都有:

∣xm−xn∣=∣f(xm−1)−f(xn−1)∣≤q∣xm−1−xn−1∣,|x_m-x_n|=|f(x_{m-1})-f(x_{n-1})|\le q|x_{m-1}-x_{n-1}|,

反复应用上述不等式,有:

∣xm−xn∣≤qn−1∣xm−n+1−x1∣≤qn−1∣b−a∣=d qn,|x_m-x_n|\le q^{n-1}|x_{m-n+1}-x_1|\le q^{n-1}|b-a|=d\,q^n,

其中 d=∣b−a∣qd=\dfrac{|b-a|}q .

现在我们来证明 {xn}\{x_n\} 是 Cauchy\text{Cauchy} 序列,对于 ∀ε>0\forall\varepsilon>0 ,取集合 G={n∈N:(1q)n>max⁡{dε,1}}G=\left\{n\in\N:\left(\dfrac1q\right)^n>\max\left\{\dfrac d\varepsilon,1\right\}\right\} ,很显然集合 GG 非空(因其选取条件显然对充分大的正整数都成立),于是我们从 GG 中任取一个 N∈GN\in G ,那么当正整数 m>n>Nm>n>N 时,就有

∣xm−xn∣≤d qn<d⋅dε=ε .|x_m-x_n|\le d\,q^n<d\cdot\dfrac d\varepsilon=\varepsilon\,.

因此 {xn}\{x_n\} 是 Cauchy\text{Cauchy} 序列,设其极限为 lim⁡n→∞xn=ξ\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=\xi . 则由前文绿色高亮下划线处的论证可知 ξ\xi 是 f(x)f(x) 的一个不动点,下面我们来证明它是惟一不动点.

若另有 cc 是 f(x)f(x) 的不动点,那么有

∣c−ξ∣≤q∣f(c)−f(ξ))=q∣c−ξ∣ ,|c-\xi|\le q|f(c)-f(\xi))=q|c-\xi|\,,

因此 c=ξc=\xi ,从而惟一性得证. □\square

后记和习题

事实上,由于这六个表征实数系连续性的定理相互等价,我们可以从其中任意一个来推出另一个. 比如

3⇒53\Rightarrow5 的证明:

设 EE 是一个有界无穷数集,设 E⊆[a,b]E\subseteq[a,b] ,则将 [a,b][a,b] 二等分,其中必有一个区间,使得在其中有无穷多个 EE 中的元素,记这个区间为 [a1,b1][a_1,b_1] ,以此类推地继续二等分下去,则得到一个闭区间套 {[an,bn]}\{[a_n,b_n]\} ,其区间长度随 n→∞n\to\infty 趋于 0 0\, ,且后一个区间包含于前一个. 这样一来,依据闭区间套定理,这些区间有惟一公共点 c∈[an,bn], ∀n∈N+c\in[a_n,b_n],\:\forall n\in\N_+ . 现在我们来证明这个 cc 就是 EE 的一个聚点. 对 ∀δ>0\forall\delta>0 ,由于 an→ca_n\to c 且 bn→cb_n\to c ,可知必然存在一个 [aν,bν][a_\nu,b_\nu] 使得 c−δ<an≤c≤bn<c+δc-\delta<a_n\le c\le b_n<c+\delta ,即 (c−δ,c+δ)⊆[a,b](c-\delta,c+\delta)\subseteq[a,b] ,这说明区间 (c−δ,c+δ)(c-\delta,c+\delta) 中有无穷多个 EE 中的元素,这就能证明 cc 是 EE 的一个聚点. □\square

现在,类似地,我们将如下几项题目留给读者作为习题.

证明:

  1. 4⇒34\Rightarrow3 .

  2. 4⇒24\Rightarrow2 .

  3. 5⇒45\Rightarrow4 .

  4. 5⇒25\Rightarrow 2 .

  5. 若定义域为 [a,b][a,b] 的函数 f(x)f(x) 满足:对于任意 x∈[a,b]x\in[a,b] ,存在 Mx,δx>0M_x,\delta_x>0 ,使得对 ∀x∈(x−δ,x+δ)\forall\frak x\in(x-\delta,x+\delta) ,有 ∣f(x)∣<Mx|f(\frak x)|<M_x . 试用有限覆盖定理证明 ∃M>0\exist M>0 使得对任意 x∈[a,b]x\in[a,b] ,满足 ∣f(x)∣<M|f(x)|<M .

  6. 证明只由有限个元素组成的数集必然没有聚点,而任意闭区间中的每一个元素都是该闭区间的聚点.

  7. 设 f(x)f(x) 定义域为 [a,b][a,b] , f(a)<0<f(b)f(a)<0<f(b) ,且满足对于任意 x∈[a,b]x\in[a,b] ,只要 f(x)≠0f(x)\ne0 ,就存在一个 δ>0\delta>0 ,使得对 ∀x∈(x−δx,x+δx)∩[a,b]\forall \frak x\in(x-\delta_x,x+\delta_x)\cap [a,b] ,满足 f(x)f(x)>0f(x)f(\frak x)>0 . 试用有限覆盖定理证明:存在一个 ξ∈[a,b]\xi\in[a,b] ,使 f(ξ)=0f(\xi)=0 .

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