实数完备性基本定理的相互证明

实数完备性基本定理的相互证明（30个）

一.确界原理

1.确界原理证明单调有界定理

证 不妨设{}n a 为有上界的单调递增数列.

由确界原理，数列{}n a 有上确界，令{}n a sup a =，下面证明：lim n n a a →∞

=.

对任意的0ε>，由上确界的定义，存在数列{}n a 中某一项N a ,使得：N a a ε->. 由于{}n a 单调递增,故对任意的n N >，有：n N a a a ε-<<.

另一方面,由于a 是{}n a 的一个上界,故对任意的正整数n 都有：n a a a ε≤<+. 所以任意的n N >，有：n a a a εε-<<+，即：n a a ε-<.

由极限的定义，lim n n a a →∞

=.同理可证单调递减有下界的数列必有极限，且其极限即为它的下确界.

2.确界原理证明区间套定理

证明：设[]{},n n a b 是一个闭区间套. 令数集{}n S a =.

由于任一n b 都是数列{}n a 的上界，由确界原理，数集S 有上确界，设supS ξ=. 下证ξ属于每个闭区间[](),1,2,3,n n a b n =

显然，()1,2,3,

n a n ξ≤=，故只需证明对任意正整数n ，都有n b ξ≤.

事实上，对任意正整数n ，n b 都是S 的上界，而上确界是最小上界，故必有n b ξ≤. 所以存在实数ξ，使得[](),1,2,3,

n n a b n ξ∈=

下证唯一性，假设还有另外一点ξ'，也满足[](),1,2,3,

n n a b n ξ'∈=.则()0n n b a n ξξ'-<-→→∞，故有:

ξξ'=.唯一性得证.

3.确界原理证明有限覆盖定理

证明：欲证闭区间[],a b 的任一开覆盖H 都有有限的子覆盖. 令[]{}|,S x a x H a x b =<≤能被中有限个开区间覆盖，

显然S 有上界.又H 覆盖闭区间[],a b ，所以，存在一个开区间(),H αβ∈，覆盖住了a .取(),x a β∈，则[],a x 显然能被H 中有限个开区间覆盖（1个），x S ∈，从而S 非空. 由确界原理，令supS ξ=.

先证明b ξ=.用反证法，若b ξ≠，则a b ξ<<.由H 覆盖闭区间[],a b ，一定存在开区间()11,H αβ∈，覆盖住了ξ.取12,x x ，使：11211,x x x S αξβ<<<<∈ ，

则[]1,a x 能被H 中有限个开区间覆盖，把()11,αβ加进去，

就得到[]2,a x 也能被H 中有限个开区间覆盖，即2x S ∈，这与supS ξ=矛盾，故b ξ=.

最后证明b S ∈.设开区间()22,H αβ∈，覆盖住了b .由b supS =，故存在y 使得：2y b α<≤且y S ∈.则[],a y 能被H 中有限个开区间覆盖，把()22,αβ加进去，就得到[],a b 也能被H 中有限个开区间覆盖. 4.确界原理证明聚点定理

证明：设S 有界无限点集，则由确界原理令inf S ξ=.

若ξ是S 的一个聚点，则命题已经成立，下面设ξ不是S 的聚点.

令 ){}

|,T x x S ξ=??中只包含中有限个元素.因为ξ不是S 的聚点，所以存在00ε>，使得

()()000;,U ξεξεξε=-+只包含S 中有限个数，故0T ξε+∈，从而T 非空.

又S 有界，所以S 的所有上界就是T 的上界，故T 有上确界，令sup T η=. 下面证明η是S 的一个聚点.

对任意的0ε>，S ηε+?，故),ξηε+??包含S 中无穷多个元素.

由上确界的定义，存在(],ληεη∈-，使得S λ∈，故),ξλ??中只包含S 中有限多个元素.从而我们得知

)(),;U ληεηε+???中包含了S 中无穷多个元素，由聚点的定义，η是S 的一个聚点.

5.确界原理证明Cauchy 收敛准则 证明：必要性：

若lim n n x x →∞

=，则对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有2

n x x ε

-<

.于是对一切,m n N >，有

2

2

m n m n x x x x x x ε

ε

ε-≤-+-<

+

=.

充分性：

现假设{}n x 满足对任意的0ε>，存在N ，对一切正整数,n m N >，有n m x x ε-<.

令数集{}{}

|,n n S x x x x x n =≥?中只有有限项小于或，明显数列{}n x 的下界都属于S ，并且{}n x 的上界就是

S 的上界.由确界存在定理，令sup S ξ=.

对条件给定的0ε>和N ，S ξε+?，故(),ξε-∞+包含{}n x 中无穷多项.

由上确界的定义，存在(],λξεξ∈-，使得S λ∈，故(),λ-∞中只包含S 中有限多个元素.从而我们得知

)()(),;,U ληεηεηεηε+?=-+??中包含了S 中无穷多个元素，设()(),1,2,3,

k n x U k ξε∈=

则对任意正整数n N >，总存在某个k n N >，故有：

2k k n n n n x x x x ξξεεε-≤-+-≤+=.从而lim n n x ξ→∞

=.

二.单调有界定理

6．单调有界定理证明确界定理

证明：我们不妨证明非空有上界的数集Ｓ必有上确界.

设{}

|T r r S =为数集的有理数上界.明显T 是一个可数集，所以假设：

{}12,,

,,

n T r r r =.令{}1min n i i n

x r ≤≤=.则得单调递减有下界的数列，由单调有界定理得，令lim n n x ξ→∞= 先证ξ是上界.任取s S ∈，有n n s r x ≤≤，由极限的保序性，s ξ≤.

其次对于任意的0ε>，取一个有理数(),r ξεξ∈-，它明显不是S 的上界，否则

lim n n x r ξξ→∞

=≤<产生矛盾！故存在s S ∈，使得s ξε>-，我们证明了ξ是数集S 上确界.

7.单调有界定理证明区间套定理

若[]{},n n a b 是一个区间套,则{}n a 为单调递增有上界的数列,由单调有界定理, 令lim n n a ξ→∞

=，并且容易得到

()1,2,3,n a n ξ≤=.

同理,单调递减有下界的数列{}n b 也有极限,并按区间套的条件有：

()lim lim 0n n n n n n b a b a ξξ→∞

→∞

=+-=+=????，并且容易得到()1,2,3,

n b n ξ≥=.

所以[](),1,2,3,

n n a b n ξ∈=

下证唯一性，假设还有另外一点ξ'，也满足[](),1,2,3,

n n a b n ξ'∈=.则()0n n b a n ξξ'-<-→→∞，故有:

ξξ'=.唯一性得证.

8.单调有界定理证明有限覆盖定理

设[]{}|,,T r a r H r r b =∈≤可以被的开区间有限开覆盖，且.容易得到T 中包含无穷多个元素，并且T 是一个可数集，所以假设：{}12,,,,

n T r r r =.令{}1max n i i n

x r ≤≤=.则得单调递增有上界的数列，由单调有界定理得，令lim n n x ξ→∞

=.

先证明b ξ=.用反证法，若b ξ≠，则a b ξ<<.由H 覆盖闭区间[],a b ，一定存在开区间()11,H αβ∈，覆盖住了ξ.取,i j x r y =，使：11i j x r y αξβ<=<<< ，则[]1,a x 能被H 中有限个开区间覆盖，把()11,αβ加进去，就得到[],a y 也能被H 中有限个开区间覆盖，即y S ∈，这与supS ξ=矛盾，故b ξ=.

最后证明b S ∈.设开区间()22,H αβ∈，覆盖住了b .由b supS =，故存在k l x r =使得：2k l x r b α<=≤.则

[],l a r 能被H 中有限个开区间覆盖，把()22,αβ加进去，就得到[],a b 也能被H 中有限个开区间覆盖.

9.单调有界定理证明聚点定理

证明：设S 是一有界无限点集，在S 中选取一个单调{}n a ，下证数列{}n a 有聚点.

（1）如果在{}n a 的任意一项之后，总存在最大的项,设1a 后的最大项是1n a ，1n a 后的最大项是2n a ，且显然

()2121n n a a n n ≤>； 一般地，将k n a 后的最大项记为1k n a +，则有：()11,2,3,

k k n n a a k +≤=.这样，就得

到了{}n a 的一个单调递减子列{}

k n a .

（2）如果（1）不成立 则从某一项开始，任何一项都不是最大的，不妨设从第一项起，每一项都不是最大项.

于是，取11n a a =，因1n a 不是最大项，所以必存在另一项()2121n n a a n n >>又因为2n a 也不是最大项，所以又有：

()3232n n a a n n >> ，这样一直做下去，就得到了{}n a 的一个单调递增子列{}k n a .

综上所述，总可以在S 中可以选取一个单调数列{}

k n a ，利用单调有界定理，{}

k n a 收敛，极限就是S 的一个聚点.

10.单调有界定理证明Cauchy 收敛准则 证明：必要性：

若lim n n x x →∞

=，则对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有2

n x x ε

-<

.于是对一切,m n N >，有

2

2

m n m n x x x x x x ε

ε

ε-≤-+-<

+

=.

充分性：

现假设{}n x 满足对任意的0ε>，存在N ，对一切正整数,n m N >，有n m x x ε-<.

先证明柯西数列是有界的.取01ε=，故存在某个正整数0N ，对一切n ，有011n N x x +-<，即011n N a a +≤+.故{}n x 有界.

参考9的做法，可知数列{}n a 有一个单调子列{}k n a ，由单调有界定理，{}

k n a 收敛，令lim k n k x ξ→∞

=.

则对任意正整数n N >，总存在某个()k k n n N >，使得k n x ξε-<，故有：

2k k n n n n x x x x ξξεεε-≤-+-≤+=..从而lim n n x ξ→∞

=.

三．区间套定理

11.区间套定理证明确界原理

证明：仅证明非空有上界的数集S 必有上确界

取一个闭区间[],a b ，使得[],a b 包含S 中的元素，并且b 为S 的上界. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,2a b a +??????与,2a b b +??????.若2a b +为数集S 的上界，则取[]11,,2a b a b a +??

=???

?，否则取[]11,,2a b a b b +??

=?

???

. 再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

????

?与111,2a b b +??

????

.若112a b +为数集S 的上界，则取[]11221,,

2a b a b a +??=????，否则取[]11221,,2a b a b b +??

=????

.不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b .

由区间套定理的得存在ξ属于所有的闭区间[](),1,2,3,

n n a b n =并且每个闭区间

[],n n a b 都包含S 中的元素，并且右端点n b 为S 的上界.

由于对任意s S ∈，有n s b ≤，所有由极限的保序性，lim n n s b ξ→∞

≤=，从而ξ是数集S 的上界.

最后，对于任意0ε>，存在n ，使得0n n b a ε<-<.由闭区间套的选取，[],n n a b 包含了S 中某个元素s ，从而有n n s a b εξε≥>->-.故ξ是数集S 的上确界. 12. 区间套定理证明单调有界定理

设{}n x 是单调有界数列，不妨设其为单调递增且有上界

取一个闭区间[],a b ，使得[],a b 包含{}n x 中的项，并且b 为{}n x 的上界. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,2a b a +??????与,2a b b +??????.若2a b +为{}n x 的上界，则取[]11,,2a b a b a +??

=????

，否则取[]11,,2a b a b b +??

=?

???

. 再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

????

?与111,2a b b +??

????

.若112a b +为{}n x 的上界，则取[]11221,,2a b a b a +??=????，否则取[]11221,,2a b a b b +??

=????

.不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b . 由区间套定理的得存在ξ属于所有的闭区间[](),1,2,3,

n n a b n =并且每个闭区间

[],n n a b 都包含{}n x 中的项，并且右端点n b 为{}n x 的上界.

下面证明lim n n x ξ→∞

=.

对任意的0ε>，存在n ，使得0n n b a ε<-<.由闭区间套的选取，[],n n a b 包含了{}n x 中某一项N x ，从而有

N n n x a b εξε≥>->-.

由于{}n x 单调递增,故对任意的n N >，有：N n x x ξε-<<. 又n n n x b a εξε<<+<+，故有n x ξεξε-<<+，即n x ξε-<. 13. 区间套定理证明有限覆盖定理

若闭区间[],a b 可以被H 中的开区间无限开覆盖.下面证明闭区间[],a b 可以被H 有限开覆盖.用反证法，若闭区间[],a b 不能被H 有限开覆盖. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,

2a b a +?

?????与,2a b b +??

???

?.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为

[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +??????与111,2a b b +??

????

.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b . 由区间套定理的得存在ξ属于所有的闭区间[](),1,2,3,

n n a b n =.显然[],a b ξ∈，考虑H 中覆盖ξ的开区间

(),αβ，取{}0min ,δξαβξ<<--.由于

lim lim n n n n a b ξ→∞

→∞

==，所以存在N ，对一切正整数n N >，有,n n a b ξξδ--<，故此时

[]()(),;,n n a b U ξδαβ??.从而[](),n n a b n N >可以被H 中的一个开区间(),αβ覆盖，产生矛盾！故假设不

成立，即闭区间[],a b 可以被H 有限开覆盖. 14. 区间套定理证明聚点定理

证明:已知点集S 是有界无限点集.设[],S a b ?. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,2a b a +?

?????与,2a b b +??

???

?.其中必有一个区间包含了点集S 中无穷多个元素，

设它为[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

?????与111,2a b b +??

????

.其中必有一个区间包含了点集S 中无穷多个元素，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b ，每个闭区间包含了点集S 中无穷多个元素.

由区间套定理的得存在ξ属于所有的闭区间[](),1,2,3,

n n a b n =.下证ξ是点集S 的一个聚点.

因为lim lim n n n n a b ξ→∞

→∞

==，故对任意的0ε>，必定存在一个N ，对一切正整数n N >，有,n n a b ξξε--<，从而[]()(),;n n a b U n N ξε?>.又每个闭区间[],n n a b 包含了点集S 中无穷多个元素,故();U ξε包含了点集

S 中无穷多个元素.由聚点的定义，ξ是点集S 的一个聚点.

15. 区间套定理证明Cauchy 收敛准则

必要性：

若lim n n x x →∞

=，则对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有2

n x x ε

-<

.于是对一切,m n N >，有

2

2

m n m n x x x x x x ε

ε

ε-≤-+-<

+

=.

充分性：

现假设{}n x 满足对任意的0ε>，存在N ，对一切正整数,n m N >，有n m x x ε-<.

先证明柯西数列是有界的.取01ε=，故存在某个正整数0N ，对一切n ，有011n N x x +-<，即011n N a a +≤+.故{}n x 有界.

取一个闭区间[],a b ，使得[],a b 包含所有{}n x 中的项. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,

2a b a +?????

?与,2a b b +??

????.其中必有一个区间包含了{}n x 中无穷多项，设它为[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

?????与111,2a b b +??

????

.其中必有一个区间包含了{}n x 中无穷多项，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{}

,n n a b ，并且每个闭区间[],n n a b 都包含{}n x 中无穷多项.

由区间套定理的得存在ξ属于所有的闭区间[](),1,2,3,n n a b n =

现在取一个子列{}

k n x ，满足[](),1,2,3,

k n k k x a b k ∈=.因为lim lim n n n n a b ξ→∞→∞==和夹逼定理，lim k

n k x ξ→∞

=.

则对任意正整数n N >，总存在某个()k k n n N >，使得k n x ξε-<，故有：

2k k n n n n x x x x ξξεεε-≤-+-≤+=..从而lim n n x ξ→∞

=.

四.有限覆盖定理

16.有限覆盖定理证明确界原理

证明：不妨设S 为非空有上界的数集，我们证明S 有上确界. 设b 为S 的一个上界，下面用反证法来证明S 一定存在上确界.

假设S 不存在上确界，取a S ∈.对任一[],x a b ∈，依下述方法确定一个相应的邻域（开区间）

()();,x x x x U U x x x δδδ==-+.

（1）若x 不是S 的上界，则至少存在一点x S '∈，使x x '>，这时取x x x δ'=-.（2）若x 是S 的上界，由假设S 不存在上确界，故有0x δ>，使得](

,x x x δδ- 中不包含S 中的点.此时取(),x x x U x x δδ=-+，可知它也不包含S 中的点.

于是我们得到了[],a b 的一个开覆盖：()[]{}

,|,x x x H U x x x a b δδ==-+∈ 根据有限覆盖定理，[],a b 可以被H 中有限个开区间{}

1

i

n

x i U =覆盖.

很明显（1）的开区间右端点属于S ，（2）的开区间中不包含S 中的点.显然a 所属的开区间是属于（1）的，b 所属的开区间是属于（2）的，所以至少有一个（1）中的开区间与某个（2）中的开区间相交，这是不可能的.

17.有限覆盖定理证明单调有界定理

证明：设{}n x 是单调有界数列，不妨设其为单调递增且有上界.任取b 为{}n x 的一个上界以及{}n x 中某项t x ，

构造出闭区间[],t x b ，对任意的[],t x x b ∈，依下述方法确定一个相应的邻域（开区间）

()();,x x x x U U x x x δδδ==-+.

（1） 若x 不是{}n x 的上界，则{}n x 中至少存在一项i x ，使i x x >，这时取x x x δ'=-.

（2） 若x 是{}n x 的上界，由假设{}n x 发散，故不会收敛到x .即有存在某个00ε>，对任何正整数N ，存

在n N >，使得()()000;,n x U x x x εεε?=-+.由于{}n x 递增，有上界x ，所以{}n x 中的所有项均不落在()()000;,U x x x εεε=-+中.此时取0x δε=.

于是我们得到了[],t x b 的一个开覆盖：()[]{}

,|,x x x t H U x x x x b δδ==-+∈. 根据有限覆盖定理，[],t x b 可以被H 中有限个开区间{}

1

i

n

x i U =覆盖.

很明显（1）的开区间右端点属于{}n x ，（2）的开区间中不包含{}n x 中的项.显然t x 所属的开区间是属于（1）的，b 所属的开区间是属于（2）的，所以至少有一个（1）中的开区间与某个（2）中的开区间相交，这是不可能的.

18. 有限覆盖定理证明区间套定理 证明:用反证法.假设

[]{}(),1,2,3,n

n

a b n =没有公共点，则对任意一点[]11,x a b ∈，它都不会是

[]{}(),1,2,3,n

n

a b n =的公共点，从而存在正整数x

n

，使得,x x n n x a b ?????.故总存在一个开区间

(),x x x U x x δδ=-+，

使得：

(),,x

n

x x n n

x x a b δδ??-+?=???，于是我们得到了

[]

11,a b 的一个开覆盖：

()[]{}11,|,x x x H U x x x a b δδ==-+∈.根据有限覆盖定理，[]11,a b 可以被H 中有限个开区间{}

1

i

k

x i U =覆盖.

注意到闭区间套之间的包含关系，则所有{}

1

i

k

x i U =一定和某个最小的闭区间

001

,,i i k n n n n i a b a b =????=

????无交.

从而：[]{}

0000001111

,,,,i i

k k n n x n n x n n i i a b a b U a b U

a b ==??

?????????=?=?????

??????

.产生矛盾！

19. 有限覆盖定理证明聚点定理

证明:设点集S 是有界无限点集.设[],S a b ?.用反证法，假设S 没有聚点.利用聚点定义，对任意的[],x a b ∈，存在一个领域(),x x x U x x δδ=-+，使得x U 中只包含点集S 中有限个点.

这样得到了[],a b 的一个开覆盖：()[]{}

,|,x x x H U x x x a b δδ==-+∈.根据有限覆盖定理，[],a b 可以被H 中有限个开区间{}

1

i

n

x i U =覆盖. 由于每个x U 中只包含点集S 中有限个点，所以[]1

,i n x i a b U =?

也只包含了S 中有

限个点，这与S 是无限点集相矛盾！故假设不成立，即S 有聚点. 20. 有限覆盖定理证明Cauchy 收敛准则 证明：必要性：

若lim n n x x →∞

=，则对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有2

n x x ε

-<

.于是对一切,m n N >，有2

2

m n m n x x x x x x ε

ε

ε-≤-+-<

+

=.

充分性：

（使用反证法）现假设{}n x 满足对任意的0ε>，存在N ，对一切正整数,n m N >，有n m x x ε-<. 先证明柯西数列是有界的.取01ε=，故存在某个正整数0N ，对一切n ，有011n N x x +-<，即011n N a a +≤+.故{}n x 有界.

假设{}[],n x a b ?.若{}n x 发散，则对任意的[],x a b ∈，可以找到一个(),x x x U x x δδ=-+，使得{}n x 中只有有限项落在()0;U x ε中.否则对任何0δ>，(),x x δδ-+中均包含{}n x 中无限项，则可以证明{}n x 收敛. 这样得到了[],a b 的一个开覆盖：()[]{}

,|,x x x H U x x x a b δδ==-+∈.根据有限覆盖定理，[],a b 可以被H 中有限个开区间{}

1

i

n

x i U =覆盖. 所以[]1

,i n x i a b U =?

也只包含了{}n x 中的有限项，矛盾！故假设不成立，{}n x 收

敛.

五．聚点定理

21.聚点定理证明确界原理

证明：仅证明非空有上界的数集S 必有上确界.

取一个闭区间[],a b ，使得[],a b 包含S 中的元素，并且b 为S 的上界. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,2a b a +??????与,2a b b +??????.若2a b +为数集S 的上界，则取[]11,,2a b a b a +??

=???

?，否则取[]11,,2a b a b b +??

=?

???

. 再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

????

?与111,2a b b +??

????

.若112a b +为数集S 的上界，则取[]11221,,

2a b a b a +??=????，否则取[]11221,,2a b a b b +??

=????

.不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b . 由于{}n b 明显有界，所有它有聚点ξ.

对任意0,s S ε>∈，设()();,k b U ξεξεξε∈=-+，则k s b ξε≤<+.由ε的任意性，s ξ≤，故ξ是S 的一个上界.其次，对任意0ε>，取()();,k a U ξεξεξε∈=-+，设s S ∈包含于闭区间[],k k a b ，则k s a ξε≥>-.

从而我们证明了ξ是S 的一个上确界. 22.聚点定理证明单调有界定理

证明：设{}n x 是单调有界数列，则它一定存在聚点ξ.下证：lim n n x ξ→∞

=.

对任意的0ε>，由聚点的定义，()(),,U ξεξεξε=-+中包含

{}

n x 中的无穷多项，设

{}()(),,k

n x U ξεξεξε?=-+.则取1

N n =，对一切正整数1

n N n >=，假设k

n n <.利用{}n

x 是单调的，n

x

介于1n x 与k n x 之间，所以由()1,,k n n x x U ξε∈，可知(),n x U ξε∈，从而由极限的定义，lim n n x ξ→∞

=

23.聚点定理证明区间套定理

证明：设{}{}n n S a b =?，则S 是有界无限点集 由聚点定理得数集S 聚点ξ.若存在一个某个正整数0n ，使得00,n n a b ξ?????，不妨假设00n n a b ξ<<.取00n b εξ=-，则对一切0n n >，有00n n n a b b ξε<≤=-.于是

()()000;,U ξεξεξε=-+中只包含S 中有限个点，这与ξ是数集S 的聚点矛盾！

故[](),1,2,3,

n n a b n ξ∈=

下证唯一性，假设还有另外一点ξ'，也满足[](),1,2,3,

n n a b n ξ'∈=.则()0n n b a n ξξ'-<-→→∞，故有:

ξξ'=.唯一性得证.

24.聚点定理证明有限覆盖定理

证明：若闭区间[],a b 可以被H 中的开区间无限开覆盖.下面证明闭区间[],a b 可以被H 有限开覆盖.用反证法，若闭区间[],a b 不能被H 有限开覆盖. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,

2a b a +??????与,2a b b +??

???

?.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

?????与111,2a b b +??

?

???

.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b ，并且[](),1,2,3n n a b =均不能被H 有限开

覆盖

显然，{}n a 是有界的，故它存在聚点ξ.明显[],a b ξ∈.考虑H 覆盖中覆盖住ξ的开区间(),αβ.取

{}min ,εξαβξ<--，则在()();,U ξεξεξε=-+中包含了{}n a 中的无穷多项，设

{}()();,k

n a U ξεξεξε?=-+.又()02

n n n b a

b

a n --=

→→+∞ 于是存在某个0k n ，使得0

k k n n b a βξε-<--

故0n a ξεα>->；()00n n b a βξεξεβξεβ<+--<++--=. 故[]00,,n n a b αβ?????.这与[](),1,2,3n n a b =均不能被H 有限开覆盖矛盾！故假设不成立，即闭区间[],a b 可

以被H 有限开覆盖.

25.聚点定理证明Cauchy 收敛准则 证明：必要性：

若lim n n x x →∞

=，则对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有2

n x x ε

-<

.于是对一切,m n N >，有2

2

m n m n x x x x x x ε

ε

ε-≤-+-<

+

=.

充分性：

现假设{}n x 满足对任意的0ε>，存在N ，对一切正整数,n m N >，有n m x x ε-<.

先证明柯西数列是有界的.取01ε=，故存在某个正整数0N ，对一切n ，有011n N x x +-<，即011n N a a +≤+.故{}n x 有界.故它存在聚点，设为ξ.

对条件中的0ε>，由聚点的定义，假设{}

()();,k n x U ξεξεξε?=-+ 则对任意正整数n N >，总存在某个()k k n n N >，使得k n x ξε-<，故有：

2k k n n n n x x x x ξξεεε-≤-+-≤+=..从而lim n n x ξ→∞

=.

六.Cauchy 收敛准则

26. Cauchy 收敛准则证明确界原理

证明: 设S 为非空有上界数集.由实数的阿基米德性,对任何正数α,存在整数k α ,使得k ααλα=为S 的上界,而()1k ααλαα-=-不是S 的上界, 即存在S α'∈使得()1k ααα'>- 分别取()1

1,2,3,n n

α=

=，则对每一个正整数n ,存在相应的n λ,使得n λ为S 的上界，而1

n n

λ-

不是S 的上界,故存在S α'∈,使得1n n

αλ'>-

又对正整数m ,m λ是S 的上界，故有m λα'≥.所以1m n n λαλ'≥>-

，即有1m n m λλ-<.同理有1

m n n

λλ-<，于是得到11min ,m n m n λλ??

-

???

. 于是,对任意的0ε>，存在正整数N ，使得当,m n N >时有m n λλε-<.

由柯西收敛准则,数列{}n λ收敛.记lim n n λλ→∞

=

现在证明λ就是S 的上确界.首先,对任何S α∈和正整数n ，有n αλ≤，有极限的保序性，lim n n αλλ→∞

≤=，

故λ是S 的上界

其次,对于任意的0δ>,存在充分的的正整数n ，使得

12n δ<并且2

n δλλ>-. 由于1n n λ-

不是S 的上界，所以存在S α'∈，并且1

n n

αλ'>-. 于是122

n n δδ

αλλλδ'>-

>--=-.故λ就是S 的上确界. 27. Cauchy 收敛准则证明单调有界定理

证明：设{}n x 是单调有界数列，不妨假设{}n x 单调递增有上界.

若{}n x 发散，则又柯西收敛准则，存在00ε>，对一切正整数N ，存在m n N >>，使得0m n m n x x x x ε-=-≥. 于是容易得到{}n x 的子列{}

k n x ，使得10k k n n x x ε+-≥.进而()101k n n x x k ε>+- 故()k n x k →+∞→∞，这与{}n x 是有界数列矛盾！所有假设不成立，即{}n x 收敛. 28. Cauchy 收敛准则证明区间套定理

证明：设[]{}

,n n a b 为闭区间套.因为lim 0n n n a b →∞

-=，所以对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，

有n n n n a b b a ε-=-<

从而对任意的m n N >>，m n m n n n a a a a b a ε-=-<-<；

m n n m n n b b b b b a ε-=-<-<，由柯西收敛准则，{}{},n n a b 均收敛，而且是同一极限，设lim lim n n n n a b ξ→∞

→∞

==.

由于{}n a 单调递增，{}n b 单调递减，由极限的保序性， 所以[](),1,2,3,

n n a b n ξ∈=

下证唯一性，假设还有另外一点ξ'，也满足[](),1,2,3,

n n a b n ξ'∈=.则()0n n b a n ξξ'-<-→→∞，故有:

ξξ'=.唯一性得证.

29.Cauchy 收敛准则证明有限覆盖定理

证明：若闭区间[],a b 可以被H 中的开区间无限开覆盖.下面证明闭区间[],a b 可以被H 有限开覆盖.用反证法，若闭区间[],a b 不能被H 有限开覆盖. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,

2a b a +?????

?与,2a b b +??

????.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +??????与111,2a b b +??

????

.其中必有一个区间不能被H 有限开覆盖，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{},n n a b ，并且[](),1,2,3n n a b =均不能被H 有限开

覆盖.

因为lim lim

02n n n

n n b a

a b →∞

→∞--==，所以对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有n n n n a b b a ε-=-<

从而对任意的m n N >>，m n m n n n a a a a b a ε-=-<-<；

m n n m n n b b b b b a ε-=-<-<，由柯西收敛准则，{}{},n n a b 均收敛，而且是同一极限，设lim lim n n n n a b ξ→∞

→∞

==.

由于{}n a 单调递增，{}n b 单调递减，由极限的保序性， 所以[](),1,2,3,

n n a b n ξ∈=.

考虑H 覆盖中覆盖住ξ的开区间(),αβ.取{}min ,εξαβξ<--，则存在正整数N ，对一切n N >，

,n n a b ξξε--<.即有[]()(),;,n n a b U ξεαβ??.

这与[](),1,2,3

n n a b =均不能被H 有限开覆盖矛盾！故假设不成立，即闭区间[],a b 可以被H 有限开覆盖.

30. Cauchy 收敛准则证明聚点定理

证明：已知点集S 是有界无限点集.设[],S a b ?. 将闭区间[],a b 等分为两个闭区间,2a b a +?????

?与,2a b b +??

????.其中必有一个区间包含了点集S 中无穷多个元素，设它为[]11,a b ；

再将闭区间[]11,a b 等分为两个闭区间111,

2a b a +?

?????与111,2a b b +??

????

.其中必有一个区间包含了点集S 中无穷多个元素，设它为[]22,a b .不断进行下去，这样得到了一个闭区间套[]{}

,n n a b ，每个闭区间包含了点集S 中无穷多个元素.

因为lim lim

02n n n

n n b a

a b →∞

→∞--==，所以对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，有n n n n a b b a ε-=-<

从而对任意的m n N >>，m n m n n n a a a a b a ε-=-<-<；

m n n m n n b b b b b a ε-=-<-<，由柯西收敛准则，{}{},n n a b 均收敛，而且是同一极限，设lim lim n n n n a b ξ→∞

→∞

==.

下证ξ是S 的一个聚点.

对任意的0ε>，存在正整数N ，对一切n N >，,n n a b ξξε--<.即有[]()(),;,n n a b U ξεξεξε?=-+.

故()();,U ξεξεξε=-+中包含了S 中无穷多个元素，由聚点的定义，ξ是S 的一个聚点.

关于实数完备性相关定理等价性的研究

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 引言 (1) 1.1确界存在定理的证明 (1) 1.2 确界存在定理证明单调有界定理 (3) 1.3单调有界定理证明区间套定理 (3) 1.4 区间套定理证明有限覆盖定理 (4) 1.5有限覆盖定理证明聚点定理 (4) 1.6聚点定理证明致密性定理 (5) 1.7致密性定理证明柯西收敛准则 (5) 1.8柯西收敛准则证明确界存在定理 (6) 致谢 (7) 参考文献 (7)

关于实数完备性相关定理等价性的研究 数学与应用数学专业学生xxx 指导教师 xxx 摘要：实数集的完备性是实数集的一个基本特征，它是微积分学的坚实的理论基础。可以从不同的角度来描述和刻画实数集的完备性，因此有多个实数集的完备性基本定理。与之相关的七个基本定理（确界存在定理、单调有界定理、区间套定理、致密性定理、聚点定理、闭区间有限覆盖定理以及柯西收敛准则）是彼此等价的。本文主要是讨论证明这七个定理的等价性。在这里我们首先论证确界存在定理，然后由此出发依次论证实数系的其它六个基本定理，并最终形成一个完美的论证“环”。 关键词：实数集完备性基本定理等价性证明 Research about the equivalence theorems of completeness of real numbers Student majoring in Mathematics and Applied Mathematics .Bing Liu Tutor Shixia Luan Abstract: Completeness of the set of real numbers is its basic character, and it is stable theory background of calculus. It can be described and depicted in different angles, so there are considerable fundamental theorems about it. Fundamental Theorems of seven related about completeness of the set of real numbers，which are existence theorem of supremum, monotone defined management,interval sequence theorem,Bolzano-Weierstrass theorem, convergence point theorem,Heine-Borel theorem and Cauchy convergence rule are Equivalent. This paper is to discuss the proof of the equivalence of the seven theorems. Here we first Prove the existence theorem of supremum, then prove the other correlative theorems based of existence theorem of supremum and form a ideal proof “loop”. Key words: set of real numbers，completeness，fundamental theorem，equivalence，proof. 引言： 我们知道实数的完备性在理论上有很大的价值，与之相关的七个基本定理从不同的角度描述了实数的基本性质。并且这七个基本定理是相互等价的，在这里我们先证明出实数的确界存在定理，然后以此为基础顺次证明其他的六个定理最后再回到确界存在定理得到一个完美的“环”状结构的证明。本文的论证结构为确界存在定理证明单调有界定理证明区间套定理证明有限覆盖定理证明聚点定理证明致密性定理证明柯西收敛准则证明确界存在定理。 1实数完备性相关定理的论证 1.1确界存在定理的证明

赵晓玉哥德尔不完全性定理的推广形式及其哲学影响2018

赵晓玉：哥德尔不完全性定理的推广形式及其哲学影响（2018） 1930年，哥德尔证明了关于递归可枚举理论的哥德尔不完全性定理，而本文的第一项工作便是将哥德尔不完全性定理推广到非递归可枚举理论上，得到推广的哥德尔不完全性定理。为此，首先详细回顾哥德尔不完全性定理的整个证明，并证明一些相关的推论。 为便于将哥德尔不完全性定理推广到非递归可枚举理论上，首先将哥德尔不完全性定理涉及的一致性、语法完全性、ω-一致性、相对于N的可靠性、相对于N的完全性、可定义性等元理论性质，分别推广成Γ-一致性、Γ-决定性、n-一致性、相对于N的Γ-可靠性、相对于N的Γ-完全性、Γ-可定义性等更一般的形式，并对其基本性质进行深入研究，然后利用推广的元理论性质对哥德尔不完全性定理进行重述。 关于推广的哥德尔第一不完全性定理，首先回顾萨利希和萨拉杰证明的4簇结果：任给n>0，如果T是包含罗宾森算术的、Σn+1-可定义的（Πn-可定义的）、Σn-可靠的（n-一致的）算术理论，那么T 不是Πn+1-决定的；并证明其中的Σn-可靠性或n-一致性不能被相应地强化为Σn?1-可靠性或(n?1)-一致性；期间会就关键定理给出一种更简洁易读的证明。然后额外证明2簇结果：任给n>0，如果T是包含罗宾森算术的、Σn+1-可定义的（Πn-可定义的）、Πn+1-可靠的算术理论，那么T不是Πn+1-决定的；并证明其中的Πn+1-可靠性不能被强化为Πn-可靠性。 关于推广的哥德尔第二不完全性定理，首先将Γ-可靠性形式化，然后证明4簇结果：任给n>0，如果T是包含皮亚诺算术的、Σn+1-可定义的（Πn-可定义的）、Σn-可靠的（Πn+1-可靠的）算术理论，那么T不能证明自身Σn-可靠性（Πn+1-可靠性）；并且证明其中的Σn+1-可靠性或Πn+1-可靠性不能被相应地强化为Σn-可靠性或Πn-可靠性；最后通过引入强可证性关系给出这4簇结果的第二种证明方法。 本文的第二项工作是深入讨论非递归可枚举理论与形式化的一致性之间的关系。首先分析非递归可枚举理论与可证性条件的关系，然后据此证明满足一定条件的非递归可枚举理论不能证明自身一致性，即结论涉及一致性的4簇推广的哥德尔第二不完全性定理：任给n>0，如果T是包含皮亚诺算术的、一致的、Σn+1-可定义的（Πn-可定义的）、Σn+1-完全的（Πn-完全的）算术理论，那么T不能证明自身一致性；并且将这些结果作为第一项工作中推广的哥德尔第二不完全性定理的推论从而给出第二种证明方法；最后还会给出2簇能证明自身一致性的理论从而证明其中的Σn+1-完全性或Πn-完全性不能被相应地强化为Σn-完全性或Πn?1-完全性。 本文的第三项工作是基于推广的哥德尔不完全性定理，从对形式化方法局限的反驳、对反机械主义的支持、对数学家地位的辩护等三个方面重新审视哥德尔不完全性定理的哲学影响。 关键词：不完全性，非递归可枚举理论，Γ-可靠性，Γ-可定义性，哲学影响

关于实数完备性的基本定理

第七章 实数的完备性 §1 关于实数完备性的基本定理 1. 验证数集? ?? ? ??+-n n 1) 1(有且只有两个聚点11 -=ξ 和12 =ξ. 分析:根据聚点定义2'',分别找各项互异的收敛数列 {}n x ,{}n y ?? ?? ? ??+-n n 1) 1(,使其极限分别为-1和1.再由聚点定义2,用反证法，对1,±≠∈?a R a ,关键在找存在ε,使U(ε,a )内含有? ????? + -n n 1)1(中有限多个点. 解：记()()() 2,11 211,2111 22=-= -=+ -=-n n y n x n n n n 则 {}n x ,{} n y ? ? ?? ? ??+-n n 1)1(,且1lim ,1lim -==∞ →∞→n n n n y x .由定义2''知， 1,121=-=ξξ为???? ?? +-n n 1)1(的两个聚点. 对1,±≠∈?a R a ，则取{}1 ,1min 2 1 0+-=a a ε， ? ?? ??? + -n n 1)1(落在U(0,εa )内部至多只有有限点, 则α不是其聚点. 2．证明 任何有限数集都没有聚点. 分析：由聚点定义2即可证明.

证明：由定义2知，聚点的任何邻域内都含有数集的无穷多个点，而对于有限数集，不可能满足此定义，因此，任何有限数集都没有聚点。 3．设{}),(n n b a 是一个严格开区间套，即满足 ,1221b b b a a a n n <<<<<<< 且0)(lim =-∞ →n n n a b .证明：存在唯一的一点 ξ，使),2,1( =<

实数的完备性

第七章实数的完备性 教学目的： 1.使学生掌握六个基本定理，能准确地加以表述，并深刻理解其实质意义； 2.明确基本定理是数学分析的理论基础，并能应用基本定理证明闭区间上连续函数的基本性质和一些有关命题，从而掌握应用基本定理进行分析论证的能力。 教学重点难点：本章的重点是实数完备性的基本定理的证明；难点是基本定理的应用。 教学时数：12学时 § 1 关于实数集完备性的基本定理（3学时）教学目的： 1.使学生掌握六个基本定理，能准确地加以表述，并深刻理解其实质意义； 2.明确基本定理是数学分析的理论基础。 教学重点难点：实数完备性的基本定理的证明。 一．确界存在定理：回顾确界概念． Th 1 非空有上界数集必有上确界；非空有下界数集必有下确界 . 二.单调有界原理: 回顾单调和有界概念 . Th 2 单调有界数列必收敛 . 三.Cantor闭区间套定理 : 区间套: 设是一闭区间序列. 若满足条件 1.

ⅰ> 对 , 有 , 即 , 亦即后一个闭区间 包含在前一个闭区间中 ; ⅱ> . 即当 时区间长度趋于零. 则称该闭区间序列为一个递缩闭区间套,简称为区间套 . 简而言之, 所谓区间套是指一个 “闭、缩、套” 区间列. 区间套还可表达为: . 我们要提请大家注意的是, 这里涉及两个数列 和 , 其中 递增, 递减. 例如 和 都是区间套. 但 、 和 都不是. 2. Cantor 区间套定理: Th 3 设 是一闭区间套. 则存在唯一的点 ,使对 有 . 简言之, 区间套必有唯一公共点. 四． Cauchy 收敛准则 —— 数列收敛的充要条件 : 1. 基本列 : 回顾基本列概念 . 基本列的直观意义 . 基本列亦称为Cauchy 列. 例1 验证以下两数列为Cauchy 列 : ⑴ . ⑵ .

哥德尔不完备定理

哥德尔不完备定理 哥德尔不完备定理有两条： 一、任何相容的形式系统，只要蕴涵皮亚诺算术公理，就可以在其中构造在体系中不能被证明的真命题，因此通过推演不能得到所有真命题 二、任何相容的形式系统，只要蕴涵皮亚诺算术公理，它就不能用于证明它本身的相容性 我们只论述第一条定理。 证明思路： ①要证明蕴含皮亚诺算术公理的形式系统不完备，只需要证明皮亚诺算术公理不 完备。 ②要证明皮亚诺算术公理不完备，我们可以选择皮亚诺算数公理的一个模型（也 就是实际意义），最简单的，选择自然数?作为一个模型。那么之后，这个公理系统都是描述自然数的了，公式的变元是自然数，项是自然数等等。 ③将皮亚诺公理系统的所有有效的句子（逻辑学称为公式），映射到自然数的一个 子集。 ④根据皮亚诺算术公理的性质，构造一个命题，使得它可证或不可证都会产生矛 盾。 皮亚诺算术公理如下 1.?x(Sx≠0) 0不是任何数的后继数 2.?x?y(Sx=Sy→x=y) x与y的后继数相等，则x与y相等

3.(φ(0)∧?x(φ(x)→φ(Sx)))→?xφ(x)，φ(x)为算术公理的任一公式 这个就是数学归纳法 4.?x(x+0=x∧x?1=x) 存在零元和幺元 5.?x?y(S(x+y)=x+Sy) 加法的定义 6.?x?y(x?Sy=(x?y)+x) 乘法的定义 递归函数 我们可以根据这个公理系统定义“递归函数”，也就是编程一般都会用到的那种函数，其函数值f(a n)依赖于f(f(a n?1))(其中a n=f(a n?1))……在这里我们一般指的是定义域和值域都是自然数的子集的递归函数。 我们可以给出定义： 定义1：原始递归函数为： ①零函数:0(x)=0 ②后继函数：S(x)=Sx ③射影函数：I mn(x1,x2…,x n,…,x m)=x n 原始递归函数为递归函数 定义2：递归函数的复合仍然是递归函数。 也就是f(x),g(x)为递归函数，则f(g(x))也是递归函数。 ?,n!等都是递归函数。 例子：?√n?,?x y 事实上，只要是定义域和值域都是自然数的子集的函数，都是递归函数。

实数基本定理

Ch 8 实数基本定理 计划课时：8 时 § 0 连续统假设简介（2 时） 一．数的发展简史：参阅《数学分析》选讲讲稿P66—76（1997. 8.10 ）. 1.自然数的产生: 十九世纪数学家Leopold Kronecker说: 上帝创造了整数, 其余则是我们人类的事了. 2.从自然数系到有理数系: 3.算术连续统假设的建立及其破灭: 不可公度性的发现及其深远影响. Pythagoras（约在纪元前六世纪），Hippasus，Leonardo da Vinci 称为“无理的数”. Eudoxus , Euclid. 4.微积分的建立: Newton , Leibniz ; Euler , Lagrange , D′Alembert , Laplace ; Voltaire , B. Berkeley . 十九世纪分析学理论的重建工作: B.Bolzano , A.Cauchy , Abel , Dirichlet, Weierstrass . Archimedes数域. 5.实数系的建立:

十九世纪后半叶由Weierstrass , Meray , Dedekind , Cantor 等完成. 二. 连续统假设: 1.连续统假设: 以Cantor实数为例做简介. Cauchy ( 1789—1857, 法 ), Bolzano (1781—1845 ), Cantor ( 1829—1920 ). 在他们的著作中表现了实数连续性的观点. 1900年, 哥庭根大学教授Hilbert ( 1862—1943, 德 )在巴黎国际数学家代表大会上的致辞中 , 提出了二十三个研究课题 , 其中的第一题就是所谓连续统假设.首当其冲的是关于连续统观点的算术陈述. ( 参阅 D.J.斯特洛伊克著《数学简史》P160—161 ). 连续统假设的研究现况. 2.实数基本定理: 连续统假设的等价命题. 共有九个定理, 我们介绍其中的七个. 另外还有 上、下极限定理和实数完备性定理. § 1 实数基本定理的陈述（ 4 时） 一．确界存在定理：回顾确界概念． Th 1 非空有上界数集必有上确界；非空有下界数集必有下确界. 二.单调有界原理: 回顾单调和有界概念. Th 2 单调有界数列必收敛.

第七章 实数完备性

第七章实数的完备性 §1 关于实数完备性的基本定理 一、问题提出 定理1.1（确界原理）非空有上（下）界的数集必有上（下）确界. 确界存在定理(定理 1.1)揭示了实数的连续性和实数的完备性. 与之等价的还有五大命题,这就是以下的定理1.2至定理1.6． 定理1.2 (单调有界定理)任何单调有界数列必定收敛． 定理1.3 (区间套定理）设为一区间套： ． 则存在唯一一点 定理1.4 (有限覆盖定理)设是闭区间的一个无限开覆盖,即 中每一点都含于中至少一个开区间内．则在中必存在有限个开区间,它们构成 的一个有限开覆盖． 定理1.5 (聚点定理)直线上的任一有界无限点集至少有一个聚点,即在的任意小邻域内都含有中无限多个点（本身可以属于,也可以不属于）． 定理1.6 (柯西准则)数列收敛的充要条件是：,只要恒有．（后者又称为柯西（Cauchy）条件,满足柯西条件的数列又称为柯西列,或基本列．） 这些定理构成极限理论的基础．我们不仅要正确理解这六大定理的含义,更重要的还要学会怎样用它们去证明别的命题．下面通过证明它们之间的等价性,使大家熟悉使用这些理论工具．下图中有三种不同的箭头,其含义如下： ：(1)～(3) 基本要求类 ：(4)～(7) 阅读参考类 ：(8)～(10) 习题作业类

二、回顾确界原理的证明 我们曾引入有界数集的确界概念,今证明它的存在性（记号a 、b 、c 表示实数） Dedekind 定理 设A/B 是R 的一个切割,则比存在实数R ε∈使得(,]A ε=-∞,(,)B ε=+∞或 (,)A ε=-∞,[,)B ε=+∞无其它可能. 1 非空有上界的数集E 必存在上确界. 证明 设}{x E =非空,有上界b ： E x ∈?,b x ≤. （1） 若E 中有最大数0x ,则0x 即为上确界； （2） 若E 中无最大数,用下述方法产生实数的一个分划；取E 的一切上界归入上类 B ,其余的实数归入下类A ,则)|(B A 是实数的一个分划. ο 1 A 、B 不空.首先B b ∈.其次E x ∈?,由于x 不是E 的最大数,所以它不是E 的上界,即 A x ∈.这说明E 中任一元素都属于下类A ； ο 2 A 、B 不漏性由A 、B 定义即可看出； ο 3 A 、B 不乱.设A a ∈,B b ∈.因a 不是E 的上界,E x ∈?,使得x a <,而E 内每一元素属于 A ,所以b x a <<. ο 4 由ο 3的证明可见A 无最大数. 所以)|(B A 是实数的一个分划.由戴德金定理,知上类B 必有最小数,记作c . E x ∈?,由ο1知A x ∈,即得c x <.这表明c 是E 的一个上界.若b 是E 的一个上界,则B b ∈,由此得b c ≤,所以c 是上界中最小的,由上确界定义,c 为集合E 的上确界,记作 E c sup =.

第七章 实数的完备性

第七章实数的完备性 § 1 关于实数集完备性的基本定理 一区间套定理与柯西收敛准则 定义1 区间套: 设是一闭区间序列. 若满足条件ⅰ）对, 有, 即, 亦即后一个闭区间包含在前一个闭区间中; ⅱ）. 即当时区间长度趋于零. 则称该闭区间序列为闭区间套, 简称为区间套 . 区间套还可表达为: . 我们要提请大家注意的是, 这里涉及两个数列和, 其中递增,递减. 例如和都是区间套. 但、和都不是. 区间套定理 定理7.1(区间套定理) 设是一闭区间套. 则在实数系中存在唯一的点, 使对有 . 简言之, 区间套必有唯一公共点. 二聚点定理与有限覆盖定理

定义设是无穷点集. 若在点(未必属于)的任何邻域内有的无穷多个点, 则称点为的 一个聚点. 数集=有唯一聚点, 但; 开区间的全体聚点之集是闭区间; 设是中全体有理数所成之集, 易见的聚点集是闭区间. 定理 7.2 ( Weierstrass ) 任一有界数列必有收敛子列. 聚点原理 :Weierstrass 聚点原理. 定理7.3 每一个有界无穷点集必有聚点. 列紧性: 亦称为Weierstrass收敛子列定理. 四． Cauchy收敛准则——数列收敛的充要条件 : 基本列 : 回顾基本列概念 . 基本列的直观意义 . 基本列亦称为Cauchy 列. 例1 验证以下两数列为Cauchy列 : ⑴. ⑵. 解⑴ ;

对，为使，易见只要. 于是取. ⑵ . 当为偶数时 , 注意到上式绝对值符号内有偶数项和下式每个括号均为正号 , 有 , 又 . 当为奇数时,

. 综上 , 对任何自然数, 有 . …… Cauchy 列的否定: 例2 . 验证数列不是Cauchy列. 证对, 取, 有 . 因此, 取,…… 三 Cauchy收敛原理: 定理数列收敛是Cauchy列. ( 要求学生复习函数极限、函数连续的Cauchy准则，并以Cauchy收敛原理为依据，利用Heine归并原 则给出证明 )

为什么歌德尔的不完全性定理与理解人的心智相关

为什么歌德尔的不完全性定理与理解人的心智相关 哥德尔第一不完全性定理：任意一个包含算术系统在内的形式系统中，都存在一个命题，它在这个系统中既不能被证明也不能被否定。 哥德尔第二不完全性定理：任意一个包含算术系统的形式系统自身不能证明它本身的无矛盾性。 心智这个概念，不同的人有不同的理解，因此对其定义也各有千秋，通过对各种概念的剖析和总结，我觉得心智可以如下定义：指人们对已知事物的沉淀和储存，通过生物反应而实现动因的一种能力总和。它涵盖了“哲学”对已知事物的积累和储存，结合了“生物学”的大脑信息处理，即“生物反应”，运用了为实现某种欲需（动因）而从事的“心理”活动，从而达到为实现动因结果而必须产生的智能力和“潜能”力。 歌德尔定理研究的对象是“形式系统”，理解其与心智的相关性，就要把心智和形式系统联系起来，而在心智中最重要的环节是上述中的“生物反应”，即大脑信息处理。人脑在“运算”时与电脑的基本原理是一样的，只不过电脑使用电子元件的“开.闭”和电信号的传递体现，人脑则是表现为神经原的“冲动.拟制”和化学信号（当然也包括电信号）的传递。这与歌德尔定理的条件没有本质上的差别。而认识过程中的“思维是客观实在的近似反映，语言是思维的近似表达”这点，正是受哥德尔定理限制的结果。就拿语言（指形式上的）来说，完全可以转化为有限

公理和一定规则下的符号逻辑系统，也就是一种符合定理条件的形式公理系统。该定理恰恰说明，这样的系统中不完备，存在不能用该系统证实的命题，对于这个系统来说，就是语言对思维的表达不完全，也就是我们常说的“只可意会，不可言传”。这也与我们经常感觉到的“辞不达意”是相吻合的，任何形式上的语言都不能完全准确的表达我们的思想。还有另一个事实也说明这点，就是翻译。文对文的形式语言翻译虽然不难，可是如实地表达原来语言中的准确蕴义就非常难了，甚至可以说是不可能的事情。上面已经说了人类的思维也可以近似转化为这样的形式公理系统，那人脑也一定受哥德尔定理的限制，即歌德尔定理与理解人的心智有关。 《GEB》这本书中的一些例子也可以说明这一问题。例如它里面讲到“我们自己怎样弄清楚自己是否精神失常”的问题：“一旦你开始探究自己精神的正常性，你可能就会陷入一个极其讨厌的“信之则有”的漩涡之中，尽管这种情况绝非不可避免。每个人都知道，精神失常的人会用他们自己古怪的内部一致性逻辑去解释世界，但如果你只能用自己的逻辑去检查它本身，那你怎样才能弄清你的“逻辑”是否古怪呢？”由这个例子再结合哥德尔第二定理，它说明那种断定自身一致性的形式系统是不一致的。而这也说明了歌德尔定理与理解人的心智有关系。

实数的基本定理

第三章 关于实数的基本定理及闭区间上连续函数性质的证明 六个基本定理： 1实数戴德德公理 确界原理 2数列的单调有界定理 3区间套定理 4聚点定理 致密性定理 5数列柯西收敛准则 6有限覆盖定理 定理(确界原理) 设S 为非空数集．若S 有上界，则S 必有上确界；若S 有下界，则S 必有下确界． 定理 单调有界数列必收敛. 证明 不妨设{}n a 为有上界的递增数列．由确界原理，数列{}n a 有上确界，记{}n a a sup =．下面证明a 就是{}n a 的极限． 事实上，任给0>ε，按上确界的定义，存在数列{}n a 中某一项N a ，使得N a a ε-<．又由{}n a 的递增性，当N n ≥时有 n N a a a <<-ε． 另一方面，由于a 是{}n a 的一个上界，故对一切n a 都有ε+<≤a a a n ．所以当N n ≥时有 εε+<<-a a a n ， 即a a n n =∞ →lim ．同理可证有下界的递增数列必有极限，且其极限即为它的下确界． （区间套定理） 若[]{}n n b a ,是一个区间套，则在实数系中存在唯一的一点ξ，使得ξ∈[]n n b a ,， ,2,1=n ，即 ξ≤n a n b ≤， .,2,1 =n （2） 证 由（1）式，{}n a 为递增有界数列，依单调有界定理，{}n a 有极限ξ，且有 .,2,1, =≤n a n ξ （3） 同理，递减有界数列{}n b 也有极限，并按区间套的条件（??）有 ξ==∞ →∞ →n n n n a b lim lim ， （4） 且 .,2,1, =≥n b n ξ （5） 联合（3）、（5）即得（2）式。 最后证明满足（2）的ξ是唯一的。设数ξ'也满足 ,,2,1, =≤'≤n b a n n ξ

实数完备性定理的证明及应用

实数完备性定理的证明及应用 学生姓名：xxx 学号：072 数学与信息科学学院数学与应用数学专业 指导老师：xxx 职称：副教授 摘要：实数集的完备性是实数集的一个基本特征，他是微积分学的坚实的理论基础，从不同的角度来描述和刻画实数集的完备性，六个完备性定理是对实数完备性基本定理等价性的系统论述，让我们获得对实数集完备性的基本特征的进一步的认识和理解. 并用实数完备性定理证明闭区间上连续函数的若干性质．关键词：完备性；基本定理；等价性 Testification and application about Real Number Completeness Abstract: Completeness of the set of reel numbers is its basic character, and it is stable theory background of calculus. It can be described and depicted in different angles, To prove the equivalence of the six principle theorem is systematic discussion about it and make us acquire more recognition and understanding. At the same time, the theorem of completeness of real numbers testpfyies the several qualities of the continuous function in closed interval. Key Words: sigmacompleteness; fundamental theorem; equivalence 引言 在数学分析学习中，我们知道，实数完备性定理是极限的理论基础，是数学分析理论的基石，对实数完备性表达通常有六个定理．在此，我们以实数连续性为公理，顺序证明其余六个基本定理，最后达到循环，从而证明等价性，并用实数完备性定理证明闭区间上连续函数的若干性质. 1. 基本定义[1]

哥德尔不完备性定理

哥德尔不完备性定理 2010-10-28 23:09:32来自: 苏仁(履霜冰至。一心难二用。) 一、哥德尔不完备性定理的基本内容 一个普遍公认的事实是，哥德尔不完备性定理在数理逻辑中占有极其重要的地位，是数学与逻辑发展史中的一个里程碑。 哥德尔关于形式系统的不完备性定理，首次发表在他的论文《论数学原理及有关系统中不可判定命题》中。不完备性定理是关于不可判定命题存在的一般结果，如果仅就算术系统而言，这个定理可以简单地表述为： 定理：如果形式算术系统是ω无矛盾的，则存在着这样一个命题，该命题及其否定在该系统中都不能证明，即它是不完备的。 罗塞尔（Rosser）对上面的定理进行了如下改进： 定理：如果形式算术系统是无矛盾的，则它是不完备的。具体说就是—— 定理：如果一个含有自然数论的形式系统S是无矛盾的，则S中存在一个逻辑公式A，使得在S中A是不能证明的，同时￣|A（￣| 为否定连接词——笔者注）也是不能证明的。 作为不完备性定理证明思想的一个关键之处在于映射原理的应用，哥德尔是通过一种十分新颖的映射形式来构造他的命题的。映射是数学研究中极为重要的一种研究方法，其基本思想就是借助一一对应使得某一领域内的对象之间的某种关系得以在另一领域内的对象之间的关系得到表现。哥德尔的方法是：把算术系统（记为N）中的符号、表达式和表达式的序列都映射为数——通过引进“哥德尔数”而实现了对象的数化手续。这样处理的结果，对于数理逻辑和其他有关分支来说，在研究方法上就提供了一种数字化工具，能够方便地把一些讨论对象（如符号、公式）转换为自然数或自然数的函数，能够用自然数的理论来讨论有关问题。其次，哥德尔又通过“递归函数”的引进证明了所有元理论中关于表达式的结构性质命题，都可以在算术系统中得到表达。映射原理的应用和递归函数的引进，使元理论中的命题都映射为了算术系统中的命题，算术系统也因此获得了元数学的意义。 哥德尔在阐述自己的证明思想时说过：“我们可以注意到一个形式系统的公式在形式上都表现为基本符号（变量、逻辑常项、括号或中断号）的一个有限序列，而且人们容易精确地去指明基本符号的那些有限序列是有意义的公式和那些不是有意义的公式。类似地，从形式的观点看，所谓证明实际上就是公式的一个有限序列。对于元数学来说，究竟用什么东西来作为基本符号当然是没有关系的。我们不妨就用自然数来作为基本符号，如此，一个公式就是一个自然数的有限序列，而证明便是一个有限的自然数序列的有限序列。据此，元数学的概念（命题）也就变成了关于自然数或他们的序列的基本概念（命题），从而就可以（至少是部分地）在（对象）系统本身的符号中得到表示，特别是人们可以证明…公式?、…证明?、…可证公式?等都可在对象系统中加以定义。” 哥德尔按照上述的证明思想，为不完备性定理的证明在对象系统内构造了这样一个命题G，使

实数系基本定理等价性的完全互证

第38卷第24期2008年12月数学的实践与认识M AT HEM A TICS IN PRACTICE AND T HEORY V o l.38　No.24　 D ecem.,2008　 教学园地 实数系基本定理等价性的完全互证 刘利刚(浙江大学数学系,浙江杭州　310027) 摘要:　综合给出了实数系六个基本定理的等价性的完全互证方法,并归纳了各种证明方法的规律,旨在把抽象的证明转化为容易掌握的基本方法. 关键词:　实数系;连续性;等价;极限收稿日期:2005-06-10 实数系基本定理是数学分析中重要组成部分,是分析引论中极限理论的基础,也称为实数系的连续性定理.能够反映实数连续性的定理很多,它们是彼此等价的.现有的教材都是按照某一顺序将这些定理进行一次循环证明就验证了它们的等价性[1-2].虽然不同的教材对于循环证明的顺序有所不同,但每一次循环证明看起来都似乎没有关联,并没有综合归纳其中的方法技巧.这么多相互独立的证明使得不少学生都感到数学分析中这部分内容太抽象,难以理解.因而当遇到一个教材中没有给出的2个定理之间的等价性证明时就无从下手.为此,在讲述这些定理的时候,我们把这些定理的相互证明详细地整理出来,并且归纳给出了这些定理的完全互证方法与规律,使学生在学习这部分内容时不再感到无所适从. 我们使用的教材[1]中给出的实数系的六个基本定理及其描述为: 1)确界存在定理(pp .12):上(下)有界的非空数集必存在唯一上(下)确界. 2)递增(减)有界数列必有极限(pp.34). 3)闭区间套定理(pp.41):设I 1,I 2,…,I n ,…是一串有界闭区间,I 1 I 2 … I n …,且I n 的长度 I n →0,称{I n }为闭区间套.则闭区间套{I n }的交∩∞ n =1 I n 必不空且为单点集. 4)Bo lzano -Weierstrass 定理(pp.44):有界数列必有收敛子列. 5)Cauchy 收敛准则(pp.299):数列{x n }收敛 {x n }是基本数列. 6)有限开覆盖定理(pp.308):若开区间族{O }覆盖了有界闭区间[a ,b ],则从{O }中 必可挑出有限个开区间O 1,O 2,…,O n 同样覆盖了[a ,b ]:[a ,b ] O 1∪O 2∪…∪O n . 在证明之前,我们首先必须要理解这六个定理的每一个在说些什么,只要概念清楚了,并且理解其方法,证明并不难. 定理1)～5)属于同一类型,它们都指出,在某一条件下,便有某种“点”存在,这种点分别是确界(点)(定理1)),极限点(定理2)5)),公共点(定理3)),子列的极限点(定理4)).定理

实数完备性定理的证明及应用

. .. . 实数完备性定理的证明及应用 学生：xxx 学号： 数学与信息科学学院数学与应用数学专业 指导老师：xxx 职称：副教授 摘要：实数集的完备性是实数集的一个基本特征，他是微积分学的坚实的理论基础，从不同的角度来描述和刻画实数集的完备性，六个完备性定理是对实数完备性基本定理等价性的系统论述，让我们获得对实数集完备性的基本特征的进一步的认识和理解. 并用实数完备性定理证明闭区间上连续函数的若干性质．关键词：完备性；基本定理；等价性 Testification and application about Real Number Completeness Abstract: Completeness of the set of reel numbers is its basic character, and it is stable theory background of calculus. It can be described and depicted in different angles, To prove the equivalence of the six principle theorem is systematic discussion about it and make us acquire more recognition and understanding. At the same time, the theorem of completeness of real numbers testpfyies the several qualities of the continuous function in closed interval. Key Words: sigmacompleteness; fundamental theorem; equivalence 引言 在数学分析学习中，我们知道，实数完备性定理是极限的理论基础，是数学分析理论的基石，对实数完备性表达通常有六个定理．在此，我们以实数连续性为公理，顺序证明其余六个基本定理，最后达到循环，从而证明等价性，并用实

实数完备性基本定理相互证明

关于实数连续性的基本定理 关键词：实数基本定理 确界定理 单调有界原理 区间套定理 有限覆盖定理 紧致性定理 柯西收敛定理 等价证明 以上的定理表述如下： 实数基本定理：对R 的每一个分划A|B ，都?唯一的实数r ，使它大于或等于下类A 中的每一个实数，小于或等于上类B 中的每一个实数。 确界定理:在实数系R 内,非空的有上(下)界的数集必有上(下)确界存在。 单调有界原理:若数列}{n x 单调上升有上界，则}{n x 必有极限。 区间套定理:设｛ ,[n a ] n b ｝是一个区间套,则必存在唯一的实数r,使得r 包含 在所有的区间里,即 ∞ =∈1 ] ,[n n n b a r 。 有限覆盖定理:实数闭区间[a,b]的任一覆盖E,必存在有限的子覆盖。 紧致性定理：有界数列必有收敛子数列。 柯西收敛定理：在实数系中，数列}{n x 有极限存在的充分必要条件是： ε ε<->>?>?||,,,0m n x x ，N m N n N 有时当。 这些定理虽然出发的角度不同，但描写的都是实数连续性这同一件事，它们之间是相互等价的，即任取其中两个定理，它们可以相互证明。那么，它们在证明过程中有哪些联系？作为工具，它们又各具有什么特点？以下先给出它们的等价证明。 （二）实数基本定理的等价证明 一．用实数基本定理证明其它定理 1．实数基本定理→单调有界定理 证明：设数列}{n x 单调上升有上界。令B 是数列}{n x 全体上界组成的集合，即B={b|n b x n ?≤,}, 而A=R ﹨B ，则A|B 是实数的一个分划。事实上，由单调上升}{n x ，故1x -1∈A ，即A 不空，由A=R ﹨B ，知A 、B 不漏。又对任给a ∈A ，b ∈B ，则存在0 n ，使 a < 0n x ≤ b ，即A 、B 不乱。故A|B 是实数的一个分划。根据实数基本定理， A ，a R r ∈?∈?使得对,b r a B ，b ≤≤∈有。

数学边界：被证明无法证明定理

今天我在这里看到了一个神奇地数列以及关于它地两个惊人地结论.这是由Goodstein发现地，这个名字让我不禁想到了1984里那个恰好同名地人. Goodstein数列是这样地：首先选取一个正整数m1, 比如设m1= 18 . 然后对它进行这样一个操作：把它写成2地次幂之和地形式( 18 = 2^4+ 2^1) , 再把幂数也写成2地次幂地形式： 我们把这种写法叫以2为底地遗传记法.这个词是我翻译地，可能不准确，原文叫hereditar y base 2 notation.文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途 m2是这样生成地：把m1地这种写法中所有地2都换成3，再减1.对于我们地例子， 注意到这是个非常大地数，约等于7.63×1012. 现在把m2写成以3为底地遗传记法，再把所有地3都换成4，再减1，就成为了m3.以此类推，m n+1就是把m n写成以n+1为底地遗传记法，再把所有地(n+1)换成(n+2)，再减1.对于m1= 18 ,前几项是这样：文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途 看到了前5个数，我们一定会认为这个数列以极快地速度发散到无穷，甚至比指数级或阶乘级还快得多.那么植根于这个数列地Goodstein定理想必就是论证数列地发散速度地.但是，真相大出我地意料：文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途 Goodstein定理：对于任何一个初始数，数列总会在有限步内变为0. 虽然我们都知道仅看一个数列地前几项就猜测它地收敛性是不可取地，虽然我们也知道像调和级数（1+1/2+1/3+1/4+……）这种增加超级慢地级数也发散，虽然我们知道数学中一个又一个地大反例（比如欧拉方阵），但这还是太过出人意料了.文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途 这个定理有没有证明？当然有，要不怎么叫定理呢.它地证明其实也不难，用到了序数地知识.大概意思是这样： 构造另一个数列称为平行数列（不妨设为P n），使它地每一项都不小于给定Goodstein数列地对应项，然后再证明这个平行数列最后等于0.具体地方法是对于一个Goodstein数列{m n} , 把它地第n项写成以n+1为底地遗传记法，再把每个n+1替换成最小地无限序数ω.注意到有这两个事实： 第一，P n肯定不小于m n，比如 .

数学分析之实数的完备性

数学分析之实数的完备性 《数学分析》教案 第七章实数的完备性 教学目的: 1.使学生掌握六个基本定理，能准确地加以表述，并深刻理解其实质意义; 2.明确基本定理是数学分析的理论基础，并能应用基本定理证明闭区间上连续函数的基本性质和一些有关命题，从而掌握应用基本定理进行分析论证的能力。 教学重点难点:本章的重点是实数完备性的基本定理的证明;难点是基本定理的应用。 教学时数:14学时 ? 1 关于实数集完备性的基本定理(4学时) 教学目的: 1.使学生掌握六个基本定理，能准确地加以表述，并深刻理解其实质意义; 2.明确基本定理是数学分析的理论基础。 教学重点难点:实数完备性的基本定理的证明。 一(确界存在定理:回顾确界概念( Th 1 非空有上界数集必有上确界 ;非空有下界数集必有下确界 . 二. 单调有界原理: 回顾单调和有界概念 . Th 2 单调有界数列必收敛 . - 1 - 《数学分析》教案 三. Cantor闭区间套定理 : 1. 区间套: 设是一闭区间序列. 若满足条件

?> 对, 有 , 即 , 亦即后 一个闭区间包含在前一个闭区间中 ; ?> . 即当时区间长度趋于零. 则称该闭区间序列为一个递缩闭区间套,简称为区间套 . 简而言之, 所谓区间套是指一个“闭、缩、套” 区间列. 区间套还可表达为: . 我们要提请大家注意的是, 这里涉及两个数列和 , 其中递增, 递减. 例如和都是区间套. 但、 和都不是. 2. Cantor区间套定理: Th 3 设是一闭区间套. 则存在唯一的点,使对有 . 简言之, 区间套必有唯一公共点. 四( Cauchy收敛准则——数列收敛的充要条件 : - 2 - 《数学分析》教案