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  • 1 # 使用者3850105428331

    很久之前看到過這個問題,實數(系)的連續性的確可以這麼表達。先上主要結論:除了確界存在定理(1)是可以很直觀的看出實數的連續性,(2)-(6)似乎與實數連續性很難扯上關係,但是(1)-(6)都反映了實數的完備性,經過證明可知連續性等價於完備性,因此(2)-(6)也反映了實數的連續性。

    然後分別回答:

    1. 確界存在定理,它的作用很大(其實基本定理的作用都非常大),比如說,利用確界存在定理可以證明有理數不具有連續性,是具有“空隙”的;比如說是極限理論的基礎。那麼,假設有“空隙”(設為a),那麼在數軸上,“空隙”的左邊存在上界,因為,有 ,根據確界存在定理,它必有上確界,但與原假設矛盾。同理,“空隙”的右邊亦如此。因此,沒有“空隙”。我們稱“實數系連續性定理——確界存在定理”。

    6. Cauchy收斂原理,也可以用來判斷數列是否收斂,這個原理表明由實數構成的基本數列{xn}必存在實數極限——又稱之為實數系的完備性(實數集合是一個完備空間,而有理數系不是一個完備空間,舉例:{(1+1/n)^n}是一個有理數構成的數列,但它的極限是無理數)——實際上在實數系中,完備性與連續性這兩個概念是等價的。

    默默吐槽一句公式真的好難打,我能不打公式就不打公式了!

    2. 單調有界定理,可以利用實數系連續性定理——確界存在定理+語言證明,它的作用包括了從數列本身來研究數列的斂散性,可是這跟實數的連續性/完備性有什麼關係?我個人覺得是因為,這個定理是由實數系連續性定理推出的,因此反映了實數的連續性。此外,單調有界並存在極限這一定理在有理數集上是不成立的(見上例),而在實數集上是成立的,其原因也是在於實數的連續性。

    3. 閉區間套定理,則是利用了實數系連續定理+單調有界定理證明的,它的作用包括了證明實數集是不可列集。與2同理。

    4. 有限覆蓋定理,又稱Heine-Borel定理(下文簡稱H-B定理)。H-B定理就是說,若開區間集S覆蓋閉區間[a,b],則S中有有限個開區間覆蓋閉區間[a,b],它可由區間套定理證明。(嗯...暫時不知道要說啥好,感覺前面說的都挺多了)

    5. 聚點定理,又稱Bolzano-Weierstrass定理(下文簡稱B-W定理)。首先,我們要明確什麼是聚點,設A是直線上的點集,a是一個定點,若a的任意領域內都含有A的無限多個點,則稱a為點集A的一個聚點。聚點定理可表述為:直線上的有界無窮點集至少有一個聚點。並且,我們還有B-W定理(緻密性定理)——有界數列必有收斂子列。

    我們可以由定理1推出2推出3推出4推出5推出6,因此我們說實數系的連續性(定理1)包含了完備性(定理6);同理,我們可以證明定理6推出3推出1(全部倒推一遍也同樣成立)。兩個結論結合在一起,我們說實數系的連續性等價於實數系的完備性。那麼,在這裡用到的1、2、3、4、5、6自然反映了實數的連續性(定理1)。所以這裡所說的反映實數的連續性,個人認為並不是每一個定理都像確界存在定理一樣可以透過“想象”的,只不過是存在著這樣一種等價命題罷了;同時它們也反映了實數系的完備性,是可以比較好理解的,因為在有理數系中這些定理不成立,而在實數系中這些定理成立了。

    最後補充兩個稍微偏題的小知識:

    1. 除了定理(1)和(2),其餘定理在R^n依然成立,因此也稱為在歐幾里得空間上的基本定理,也同樣等價。

    2. 運用定理(1)證明實數的連續性還應該要用到級數知識,才能得到更為嚴格的證明,Dedekind切割定理也同樣可以闡述並證明實數系的連續性,它是以有理數集合切割為基礎推匯出實屬的連續性,並且可以透過該定理證明定理(1)。在陳紀修老師的《數學分析》一書中有詳細的關於該定理的定義、定理,與(1)類似,比較直觀地闡述了實數系的連續性。

    不足之處,請指正=v=

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