§2.1 Part1 实数集的公理系统
§2.1.1 实数集定义
实数集定义: 满足四条公理的集合成为实数集合:
加法公理
乘法公理
序公理
相互联系公理集: 乘法与加法联系 加法与序联系 乘法与序联系
完备性公理
加法公理
定义加法映射:
加法公理内容
存在单位元素: 存在元素0使得
存在反元素: 存在反元素使得
满足结合率:
满足交换律:
群
对于集合G若满足性质(i ii iii) 性质我们称该集合为群,若该运算为加法,我们称其为加法群
如果还满足性质(iv) 我们称这个群为阿贝尔群或交换群
乘法公理
定义乘法法映射:
乘法公理内容
存在单位元素:存在元素 使得
存在反元素: 存在反元素 使得
满足结合率:
满足交换律:
: 代表实数集 R 和 0 的差集(除了0之外的其他实数)
: 乘法公理中提到了0,而0的定义是在加法之中的, 证明想要定义乘法, 必须要先定义加法.
序公理
序关系: 的元素之间存在关系 ,即对于 的元素 满足如下性质(命题)
定理内容
自反性:
传递性:
反对称性:
排中律:
满足序定理, 则实数集合为线性序集
连续性公理
若 ,并且 都有
公理之间的关系
加法乘法之间的关系-分配律
代数域: 如果集合 上定义了满足上述加法公理 乘法公理 ,则 称为代数域, 简称域
序公理和加法之间的关系
序公理和乘法之间的关系
公理系统自然引申问题
对于任何抽象公理系统,立刻会出现至少两个问题
无矛盾性: 这些公理是否相容? 即满足上述全部条件的集合是否存在?
范畴性(逻辑学用词): 该公理系统是否唯一地定义了一个数学对象?
如何理解唯一(范畴性)?
假设有两个集合分别能够满足某一公理系统, 则可建立双射
这样的两个表示我们称之为 “同构表示” 也称范畴的
实数的无矛盾性回答: 从我们所接受的集合论公理系统出发(ZFC公理),可以建立自然数集, 然后建立有理数集, 最后建立满足上述所有性质的一切实数的集合
§2.1 Part2 实数的其他性质
§2.1.2 群运算(加法 乘法)的相关推导
单位元素唯一(这里以加法公理中的0为例)
设存在
由于
则有
逆元素唯一(这里以加法公理中的-x为例)
存在
由于
则有
移项定理(以加法为例)
§2.1.3 加法乘法之间关系(分配律)的推论
定理证明:
分配律的无矛盾性
由
可知道仅仅只有在定义反元素时候使用 而非 ,
才能保证在存在分配律情况下, 实数系的公理无矛盾性
二次推论:
若
若
若 自然成立
定理证明
反元素定义:
由反元素的唯一性可得
§2.1.4 序公理推论
定义:
线性序的排中律:
推论内容:
证明:
根据(偏)序公理(iv)排中律:
只需要证明:
线性序的传递性
推论内容:
我们以第二个为例子证明
利用
得到
接下来验证
矛盾
§2.1.5 序和加法乘法间关系的推论
偏序公理→线性序公理
偏序和加法关系→线性序的和加法关系:
偏序和乘法关系→线性序的和乘法关系:
证明略: 只要使用 定义即可解决
§2.1.6 完备性(连续性公理) 推论
概念引入
上(下)有界集合:
设 如果 称X为上有界集合
符合上述条件的 称为的上界
有界集合: 既是上有界也是下有届的集合
最大(小)元素:
设 , 且 称 为集合中的最大(小元素)
最值元素存在即唯一定理
定理内容: 如果在一个数集中有最大元素(最小元素) ,则它是唯一的
证明
由序公理反对称性和最值定义可得
若存在两个最大值
上下确界定义
定义: 的上界中最小者为其上(下)确界
记为
同理 为下界
确界定理
回顾下完备性(连续)公理:
若 ,并且 都有
有上(下)界的非空子集有唯一上确界
唯一性: 设 上界构成集合 显然是个数集 最值元素存在即唯一定理
若存在即唯一
存在性:
显然 符合上述的连续性公理要求则有
则有为上确界
§2.3 实数集完备性的一些基本引理
闭区间套引理(柯西康托尔原理)
序列: 以自然数为自变量的函数 称为序列,或者更完整地称为集合 的元素序列
区间套序列: 是某些集合的序列.
如果即, 就称之为集合套序列, 简称集合套
柯西康托尔原理(定理):
对于任何闭区间套序列
可以找到属于所有这些闭区间的一点
如果此外还已知,对于 , 在序列中可以找到长度 的闭区间
则 是所有闭区间的唯一公共点.
证明第一部分: 闭区间套必然有公共点
对于任何区间套集合中的两个元素
有如下的关系式
若
将 构造两个新数集合
则有
由连续性公理可以得到
证明第二部分: 是唯一的
假设有 符合要求, 假设
有限覆盖引理(博雷尔勒贝格原理)
集合族覆盖集合: 是由一组集合 构成的集合族.如果
(即如集合 的任何元素 至少属于集合族 的一个集合 ) 我们就称 覆盖
子族: 集合族 的子集也是一个集合族, 称为 的子族
博雷尔-勒贝格原理: 在覆盖一个闭区间的任何开区间族中都有覆盖该闭区间的有限子族.
证明
假设需无穷覆盖的闭区间, 迭代分割
设 是覆盖闭区间 的开区间族
假如闭区间 不能被 中的有限个开区间覆盖, 则只要把 等分为两个闭区间, 其
中就至少有一个闭区间不能被有限个上述开区间覆盖, 我们把这个闭区间记作
构造出闭区间套 , 存在
并且我们构造出闭区间套序列 且有
根据闭区间套引理, 属于全部闭区间 的点 存在
由于 为 的覆盖 , 故有
由于对半分割, 构造的区间套对于
取 , 利用这个 可找到对应的
, 其中 为开区间的长度
大概可以感觉出 和假设 是需要无穷开覆盖相违背
如何证明 在假设 对应的 情况下
...
极限点引理(波尔查诺魏尔斯特拉斯原理)
极限点: 如果点 的任何邻域都包含集合 . 的一个无穷子集, 点 就称为集合 的极限点
举例 构成的无穷集合 只有 是其极限点
波尔查诺魏尔斯特拉斯: 任何无穷有界数集至少有一个极限点
证明如下
将 至少一个极限点 极限点的范围缩减到 上下界构造的闭区间
假设一个有界无穷数集 , 利用其上下确界 构造一个闭区间
得到 现在证明 上有一个是 的极限点
反证法: 如果这样的点不存在, 导出矛盾
取每个点那些只有 中有限元素的领域, 构成开覆盖
开覆盖必然有有限子族 有限个集合, 每个集合有限个元素, 为有限集合
假设 中没有这样的极限点
那么 存在一个邻域 ,
要么 中没有 中的元素 ,要么只有有限个
我们把这些比较特殊的邻域 构成一个 集族
由于邻域中, 所有的点不包含中元素,或只有有限个元素的邻域 构成一组 对闭区间 的覆盖
由于邻域是开区间的, 故这样的覆盖必然有 有限子族同样完成 对 的覆盖
取这个集族, 其中有限个集合 , 每个集合中只有有限个 的元素. 集合只有有限个
闭区间 中元素显然是无限个, 和假设不符合
一些思考 ?
可以发现, 从区间套-有限覆盖-极限点引理中 我们已经比较滥用无穷的概念了
那么无穷的描述 十分一定需要像极限那样 通过 来描述呢?
在描述很多问题的时候并不显得那么直接. 是不是有更加直接且严谨的方式/