实数集的完备性:七个等价表述及其证明
一、完备性的直观理解
实数系的完备性(Completeness)是指实数轴上没有空洞。直观地说:
- 有理数系
不完备 例如 不是有理数,有理数轴上存在空洞 - 实数系
完备 任何应该存在的数都确实存在
完备性有多种等价表述形式,它们在数学分析中各有重要应用。
二、七个等价表述
表述一:戴德金分割原理(Dedekind Completeness)
Definition 1(戴德金分割) 集合
, ; ,有 。
Theorem 1(戴德金分割原理) 对实数集
; 。
也就是说,任一戴德金分割都由某个实数
表述二:确界原理(Least Upper Bound Property)
Theorem 2(确界原理) 设非空集合
则存在实数
; ,若 ,则 。
称
表述三:单调有界原理 (Monotone Convergence Principle)
Theorem 3(单调有界原理) 设实数列
且有上界,即
则存在
类似地,单调递减且有下界的数列也必收敛。
表述四:区间套定理 (Nested Interval Theorem)
Theorem 4(区间套定理) 设
则有
若进一步满足
则存在唯一的
表述五:有限覆盖定理 (Heine–Borel Finite Cover Theorem)
Definition 2(覆盖) 设
则称
进一步,若任取
Theorem 5 (Heine–Borel) 设
也就是说,闭区间的每个开覆盖都有一个有限子覆盖。
表述六:柯西收敛准则 (Cauchy Convergence Principle)
Definition 3(柯西列) 若实数列
则称
Theorem 6(柯西收敛准则) 设实数列
表述七:聚点定理 (Bolzano–Weierstrass Property)
Definition 4(聚点) 设
则称
Theorem 7.1(聚点定理) 设
即
Theorem 7.2 (Bolzano–Weierstrass) 设实数列
则存在严格递增的自然数列
即任意有界实数列都有收敛子列。
三、等价性证明
3.1. 戴德金分割原理 确界原理
Proof(Theorem 1
我们证明
首先,
其次,
再证
再证
最后,若
从而
故
; 。
下面证明
先证
若不然,则存在
再证
任取任意上界
故
确界原理得证。
Proof(Theorem 2
; ; 。
由
下面证明此时必有下列两种情况之一成立:
; 。
首先证明:若
若
其次证明:若
若
再看点
- 若
,则结合上面的结论可得
- 若
,则结合上面的结论可得
故存在实数
最后证明唯一性。若另有
因此戴德金分割原理成立。
3.2. 确界原理 单调有界原理
Proof(Theorem 2
则
下面证明
任取
矛盾。因此存在某个
又由于
于是
因此
故单调递增有上界的数列必收敛。
对于单调递减且有下界的情形,可类似证明,或对数列
Proof(Theorem 3
任取
下面用二分法构造两个数列
; 是 的上界; ; - 区间
;
已知
分两种情形:
- 若
是 的上界,则令
- 若
不是 的上界,则存在 使得
取这样的一个
于是上述 1–5 都成立。特别地,
由于
再由
可得
下面证明
先证
令
因此
再证
令
因此
故
确界原理得证。
3.3. 单调有界原理 区间套定理
Proof(Theorem 3
于是
因此,数列
下面证明
任取固定的
令
另一方面,由区间套关系知,对任意
令
于是
由于
因此
从而
若进一步满足
则证明交集只有一个点。事实上,若
则对任意
故
令
即
恰有一个元素。
Proof(Theorem 4
且存在
对每个
由于
从而
于是
任取
则对任意
特别地,
下面证明
任取
否则便有
矛盾。因此存在
由单调递增性知,对任意
于是
因此
再证明单调递减且有下界的情形。若
于是
故单调递减且有下界的数列也收敛。
因此,单调有界原理成立。
3.4. 区间套定理 有限覆盖定理
Proof(Theorem 4
其中每个
采用反证法。假设不存在有限子覆盖。令
由于
若这两个闭区间都能被有限多个
递归地,已构造出闭区间
且
于是得到一列闭区间,满足
并且
因此
由区间套定理,存在唯一的点
由于
又因为
另一方面,由于
于是
矛盾表明原假设不成立。因此,
Proof(Theorem 5
下面证明
采用反证法。假设
令
对每个
由于
下面证明
故存在某个
于是
因此
所以
由有限覆盖定理,存在有限个指标
设
由于闭区间是套缩的,即
两边取补可得
因此
于是
这显然不可能,因为
矛盾表明假设不成立,从而
若进一步满足
则证明交集中元素唯一。设
则对任意
从而
令
故
恰含一个点。
3.5. 有限覆盖定理 柯西收敛准则
Proof(Theorem 5
下面证明
首先证明
固定一个
从而
再令
则
故数列
是有界集。
分两种情形讨论。
情形 1 集合
此时数列
若不然,则存在两个不同的值
由柯西性,存在
但按假设,可取
矛盾。故
情形 2 集合
由于
上构造一个开覆盖。对每个
每个
下面证明
故
进一步考虑开集族
这是一族开集,并且覆盖闭区间
- 若
,则 ; - 若
,则 对某个 成立。
于是
由有限覆盖定理,存在正整数
令
由于当
故
另一方面,对任意
又因为对每个
因此不能直接比较包含关系。故改取
由柯西性,存在
于是尾项集合
的直径小于
若能证明
任取
再由柯西性取
取
于是对任意
因此
所以下面只需证明:任一有界无限集存在聚点。为此,对闭区间
记
则
而每个
与该邻域中除
故
Proof(Theorem 6
设
其中每个
采用反证法。
假设不存在有限子覆盖。将区间
递归地,若已构造出闭区间
且
于是得到一列闭区间,满足
对每个
由于
故
因此,对任意
则对任意
故
由柯西收敛准则,存在
由于每个
因此
由于
又因为
由
以及
于是
矛盾表明原假设不成立。因此,
3.6. 柯西收敛准则 聚点定理
3.6.1 聚点定理两个表述的等价性
我们先证明聚点定理的两个表述是等价的。
Proof(Theorem 7.1
记
由于
先分两种情形讨论。
情形 1
由于数列
为无限集。于是可以取严格递增的自然数序列
故
情形 2
由 Theorem 7.1,
下面递归构造一个子列收敛到
对
并且可要求
这是因为对任意
是有限集,不可能在每个邻域内都提供与
因此
故任意有界实数序列都有收敛子列。
Proof(Theorem 7.2
由于
因为
下面证明
任取
存在
于是
又由于各
并且
故
由于
3.6.2. 柯西收敛准则 Bolzano–Weierstrass 定理
Proof(Theorem 6
由前面已经证明的 Theorem 5
现在在闭区间
将
满足
并且每个
对每个
这是可行的,因为每个
于是,对任意固定的
可知
因此当
从而
任取
则对任意
故子列
由 Theorem 6,柯西列必收敛,因此
Proof(Theorem 7.2
首先证明
固定
故
再与前有限多项合并可知
由 Theorem 7.2,存在子列
下面证明整个数列都收敛到
任取
又由于
存在
再取
且
于是对任意
因此
故任意柯西实数列都收敛。
3.7. 聚点定理 戴德金分割原理
Proof(Theorem 1
下面证明
首先,
则
故
其次,
于是
又因
是无限集,从而
再证
或者有限,或者无限,因此
最后,若
从而
由于
因此,
; 。
下面证明
任取
由分割的结构可知
于是
是有限集,而
是无限集。因此
必为无限集,特别地非空。又因为一个集合中至多只有一个点等于
而
所以
由于
Proof(Theorem 7.2
; ; 。
先说明两个简单性质:
- 若
且 ,则 。否则若 ,则由分割条件应有 ,与 矛盾。 - 若
且 ,则 。否则若 ,则由分割条件应有 ,与 矛盾。
因此,
任取
由分割条件知
下面用二分法构造两列数
; ; 都有 。
已知
由于
分两种情形:
- 若
,令
- 若
,令
于是
特别地,
由 Theorem 7.2,有界数列
下面证明整个数列
首先,对任意
从而子列
任取
存在
由于
于是
因此
再由
可得
下面证明此
先证:若
又
再证:若
又
因此
又因
- 若
,则
- 若
,则
最后证明唯一性。若另有
则由
因此分割点唯一,Theorem 1 成立。
四、总结
我们完成了七个表述的等价性证明:
因此,这七个表述两两等价,它们从不同角度刻画了实数系的完备性。
| 表述 | 核心思想 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 戴德金分割 | 实数轴无空隙 | 实数构造、理论基础 |
| 确界原理 | 有界集有确界 | 证明极限存在 |
| 单调有界原理 | 单调有界数列收敛 | 递推数列极限 |
| 区间套定理 | 嵌套闭区间有公共点 | 存在性证明 |
| 有限覆盖定理 | 闭区间紧性 | 连续函数性质 |
| 柯西收敛准则 | 柯西列收敛 | 级数收敛性 |
| 聚点定理 | 有界集有聚点 | 子列收敛性 |