下确界

更新时间:2023-01-07 22:24

“下确界”是数学分析中的基本概念,它是在“下界”的基础上定义的。任给一数集E,我们称E的最大下界为E的下确界,记为infE. 显然,E中每个元素均大于或等于infE.

一、定义

1. 下界

设给定一数集E,若存在m R,使得对于 x E,都有x m,则称m是集合E的一个下界。

例:若E= ,不难验证只要m ,m就是集合E的一个下界。

2. 下确界

一个数集可以由有限个数组成,也可以由无穷多个数组成,前者称为有限(数)集,后者称为无限(数)集。任何有限数集都有一个最小数,但对于无限数集来说就不一定有最小数了。例如,由一切x 1所组成的数集没有最小数;又如数集 ( )有最小数1/2.

我们知道,有界数集有无穷多个下界。因而,对于有有界数集来说,如果它有最小数,那么这个最小数也是它的下界中的一个,并且比这个最小数大的任何数都不是它的下界,这时,这个最小数自然就是它的最大的下界。

但在上面的例子中已经看到,对一般无限数集来讲不一定有最小数。然而,对于某些无限数集来说,最大的下界确实存在,这里暂时撇开最大下界的存在性,而对一般数集的最大下界给予确切的定义。

设给定一数集E。若存在这样一个数 ,适合以下两个条件:

(i)集E中的一切数 (即 是E的一个下界);

(ii)对任意给定的正数 ,至少存在一个数 ,使得 (即比 再大一点就不是下界), 则 叫做E的下确界,记为 或 . 这里inf是infimum的缩写。

第一个条件说明 是E的下界之一,而第二个条件说明凡大于 的任何数都不是E的下界。也就是说 是E的最大下界。

注1 为方便起见,若E无下界,则记 .

注2 上面的条件(ii)等价于:如果 是E的一个下界,则必有 .

二、常用结论

1. 确界的唯一性定理

定理 设数集有上(下)确界,则这上(下)确界是唯一的。

证明:采用反证法。假设数集E有两个不同下确界 和 ( ),显然, 和 均为E的下界,由上面注2可知 且 ,故 . 与假设相矛盾!证毕。

2. 确界存在定理

定理 有上界的非空数集必有上确界,有下界的非空数集必有下确界。

证明:用戴德金分割定理证明。

戴德金定理:对实数集R的任意一个满足不空、不漏、不乱的划分A和B,都存在唯一的一个分点 满足

不空:由于X非空,可取 ,易知x-1不可能为X的上界,故A非空。B非空给定;

不乱:设 ,则由 知 不是X的上界,即 ,但又由 是X的上界知 . 综上, 又 ,矛盾。不乱得证。

故存在唯一的一个分点 满足 下证分点为上确界,即 .

若不然, 不成立,则 ,但此时就有 ,由 知 ,与 是划分A和B的分点相矛盾。故 .

下确界同理。证毕。

3. 单调有界数列必有极限

定理 单调有界数列必有极限。

证明:我们只就单调减少的有界数列予以证明。设 有界,则必有下确界 . 再设 是单调减少的,证明 恰好就是 的极限,即 .

由下确界的定义有(i) ;(ii)对任意给定的 ,在 中至少有一数 ,有 . 但由于 是单调减少数列,因此当 时,有 ,从而 . 也就是说,当 时,有

所以

这里不仅证明了单调有界数列的极限存在,而且也证明了如果它是单调减少的,则极限就是它的下确界。同样可证单调增加有界数列的极限存在,并且极限就是它的上确界。

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