至于由“确实界存在定理——实数系连续性定理”生产数轴上不是“空隙”的疑惑?

发布日期:2018-06-03 来源:财富国际在线 阅读:
至于由“确实界存在定理——实数系连续性定理”生产数轴上不是“空隙”的疑惑? 匿名用户 3小时前 71 实数 自然数 关于由“确界存在定理——实数系连续性定理”推出数轴上不存在“空隙”的疑惑 最近在自学《数学分析》(高等教育出版社 陈纪修版),现在看到了“实数系的连续性”这部分,具体是看了关于“确界存在定理”的证明。此证明后,有下述一段话:“确界存在定理反映了实数系连续性这一基本性质,这可以从几何上加以理解:假若实数全体不能布满整条数轴而是留有‘空隙’,则‘空隙’左边的数集就没有上确界,‘空隙’右边的数集就没有下…
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其他回答
没空隙是一种解释

准确理解是
你可以用有理数的戴德金分割得到实数。
但对实数戴德金分割实质上还是实数,没有别的东西。
热心网民 3小时前 0条评论
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其实你得先说明什么叫做空隙……单独一个确界存在定理是没法说明没有空隙这件事的,因为单独这个定理连什么是空隙都定义不出来。0lS财富国际

考虑(-∞,0]∪[1,+∞)这个区间并,在这个区间上,有上界则必有上确界也是成立的,对吧?0lS财富国际

关键就在于在实数连续性之前,还有一个“有序域”的前提。实数要构成一个域,同时构成一个全序集,而且这个序和运算是相容的。简单来说,如果a > b,则必须有a - b > 0。那么对于上面的例子来说,1-0>0,再考虑0 + (1-0) / 2,这个数应当在0和1之间,但却不在我们给出的集合内,所以和有序域冲突了。也就是说,如果有两个差大于0的实数,它们中间没有其他实数了,这显然就是个空隙,而这个空隙是“有序域”不允许的。0lS财富国际

确界原理解决的是在这个基础上,也不能有空隙这件事。0lS财富国际

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补充一下之前的答案,我们说了要定义空隙是很困难的,因为许多概念还不完整,实数都没有好好定义出来。在这里我们首先引入了“有序域”的概念,在有序域当中,至少存在这样一些实数:0lS财富国际

  1. 0(某个与任意实数相加都等于那个实数本身的数)
  2. 1(某个与任意实数相乘都等于那个实数本身的数)
  3. 2(1 + 1)
  4. n(所有自然数,除了0和1以外可以从2开始一个一个加出来)
  5. 1/2(1/(1+1))
  6. (这是一个可以“足够小”的正数集合)

我们在这里要将空隙分成两类:0lS财富国际

第一类空隙是“可见”的空隙,像上面的例子一样,在数轴上有一个“有长度”的洞。这里所有加引号的都是没有定义的直观概念。0lS财富国际

存在第一类空隙 定义为:存在实数的子集A和子集B, ,与实数 ,使得任取 , ,有 。这里A实际上就是空隙的左侧,A的补集B是空隙的右侧,在左侧和右侧各取一个点,无论怎么努力,它们都不能足够接近。0lS财富国际


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要证明第一类空隙不存在,这里有一个困难,就是实数本身没有定义完善,那么我们就没法很好控制 这个实数,万一它有什么奇奇怪怪的性质呢?这里就需要引入阿基米德性,阿基米德性的意思就是不管是怎么样桀骜不驯的实数,我都可以用自然数来控制它,像 这样的实数,我总能找到一个自然数比它大,总能找到一个自然数的倒数比它小。这样后续的证明就有了基础,我们可以用域上的加减乘除构造出来一些能控制住它的数。0lS财富国际

阿基米德性是可以通过确界存在定理证明的。阿基米德性等价于“不存在比所有自然数都大的实数”,如果存在这样的实数,那么意味着所有自然数存在一个上界,那就存在一个上确界。但是考虑这个上确界减去1,它必须也是所有自然数的上界(否则至少存在一个自然数比上确界减1要大,那两边同时加1,根据序与运算的相容性,就能找到自然数比原来的上确界要大了),这就和上确界矛盾了。所以确界存在定义蕴含了阿基米德性。0lS财富国际


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我们接下来证明存在第一类空隙与阿基米德有序域是矛盾的,思路很简单,类似于区间套定理,对于某个第一类空隙,取符合定义的任意的a和b,考虑 ,根据域的封闭性这个实数一定存在,它要么在A中,要么在A的补集中。如果在A中,接下来就考虑 和b,否则考虑a和 ,这两个数的差每次缩小一半,根据阿基米德性,最终肯定会缩小到 以下,这就与对一类空隙存在矛盾了。0lS财富国际


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排除了第一类的空隙之后,可以说我们现在定义的实数一定满足了“稠密性”了,任何两个实数之间都可以以任意小的“间隔”找到其他实数。但这还不能说明实数是连续的,可能实数类似于(-∞, 1.5)∪(1.5, +∞),这大概也是题主以及题主的教材想要说的“空隙”,但用一个数或者数轴上的点来描述它是不对的,如果这个“空隙”存在,那它就对应不到实数,怎么能设空隙为a,还进行运算呢?要刻画出这个空隙是非常困难的事情。好在,先人已经替我们找到了方法,这个方法就是现代微积分的基石即极限工具。当然我们还不能明目张胆拿出极限来,但思路是一样的,既然我们找不到这个空隙,我们就用空隙附近的实数来逼近它,既然我们刚刚证明了稠密性,那肯定是能找到这样的越来越近的实数的。我们可以用柯西列或者单调有界数列来逼近这个空隙,这里用单调有界数列,很容易证明用这两种数列是等价的(在已知阿基米德性的情况下)。0lS财富国际

第二类空隙 定义为:存在某个实数列 ,其中 ,且存在B使得对任意k有 。对于任意实数 ,存在某个N和实数 ,使得对任意 ,有 0lS财富国际

可以看出这就是将极限的定义反过来写了一下,即“这样的实数列不存在极限”。这意味着我们用某个递增有界数列一点一点去逼近这个空隙,发现并没有哪个实数能描述出这个数列的右边的端点,我们就可以断言,实数在这个数列的上界的地方断掉了。0lS财富国际

那么显然确界存在定理和这种情况是互相矛盾的,因为 有上界,那就一定有上确界A,根据第二类空隙定义必须存在N和 使得对任意 有 (根据上界定义去掉了绝对值符号)。那就有 ,那么 也是上界,与上确界矛盾了。所以不存在第二类空隙。0lS财富国际


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目前我们只知道这两类空隙了,所以既然两种都排除了,就可以认为不存在空隙了。注意在排除的过程中,有序域的作用都是非常大的,所以必须先承认实数可以进行加减乘除的运算,有全序关系,而且序和运算相容,才能从确界存在原理证明连续性。相比起来,柯西收敛定理则直击要害地描述了完备性,但是又缺失了阿基米德性,必须要补充进来,可以说和戴德金分割(以及等价的确界存在定理)各有千秋吧。0lS财富国际


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从更深入的层次上来说,连续其实说的是两个实数之间,能不能不间断地收缩到一个相同的点的问题。这种描述就是用区间套来完成的,如果有个空隙在,导致我的两个实数没法不间断收缩到相同的点,我就用一个区间套来套出这个间断的部分,最后说,要么我没法构造出符合条件的区间套(收缩中出现了第一类空隙),要么套住的地方没有实数(出现了第二类空隙),这就是区间套定理的意义。0lS财富国际

还可以从开集和闭集的角度来考虑。把实数作为一个空间来考虑,考虑其中一个子集,如果子集里任意一个点都存在一个邻域,使得这个邻域整个在这个集合内,则这个子集是个开集(相当于说任意点都是集合的“内部的点”,没有点在边界上)。如果这个子集的补集是个开集,则说这个子集是个闭集,这意味着和刚才的情况相反,这次所有边界上的点都跑到这个子集内部去了。实数是一维的,连续性实际上就是连通性,刻画连通性的关键就在于这个边界,意味着我们如果将整个空间分开,则分开的地方必须要有边界,否则如果某种分发导致某个位置上居然是没有边界的,那这个位置显然就断开了。没有边界这件事,可以通过子集既是闭集、又是开集来描述,这意味着两个集合的分界线既不在这个集合内,又不在补集内,那就从分界上断开了。这个性质就可以用有限覆盖来描述,对于开集来说,我们总可以构造一个无限的开集的序列,使得开集的序列最终覆盖这个开集中的每一个点(记得开集里每个点都是内点,所以最终会被某个集合包进去)。如果这个开集也是个闭集,那么在这个无限的序列中每个集合都是不可或缺的,也就不存在有限覆盖。反过来,如果每个闭集的开覆盖中都有有限覆盖,证明这个闭集一定不是开集,也就利用我们前面的边界的关系说明了连续性。这就是有限覆盖定理的意义。0lS财富国际

可见等价的实数公理其实是从不同的角度刻画连续性。0lS财富国际

灵剑 3小时前 0条评论
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