实数系基本定理等价性的完全互证
2.实数基本定理的等价性证明
§ 2 实数基本定理等价性的证明证明若干个命题等价的一般方法.本节证明七个实数基本定理等价性的路线 : 证明按以下三条路线进行:Ⅰ: 确界原理单调有界原理区间套定理Cauchy收敛准则确界原理 ;Ⅱ: 区间套定理致密性定理Cauchy收敛准则 ;Ⅲ: 区间套定理Heine–Borel 有限复盖定理区间套定理 .一. “Ⅰ”的证明: (“确界原理单调有界原理”已证明过 ).1. 用“确界原理”证明“单调有界原理”:定理 1 单调有界数列必收敛 .2. 用“单调有界原理”证明“区间套定理”:定理 2 设是一闭区间套. 则存在唯一的点,使对有.推论1 若是区间套确定的公共点, 则对,当时, 总有.推论2 若是区间套确定的公共点, 则有↗, ↘, .3. 用“区间套定理”证明“Cauchy收敛准则”:定理 3 数列收敛是Cauchy列.引理Cauchy列是有界列. ( 证 )定理 4 的证明: ( 只证充分性 ) 教科书P217—218上的证明留作阅读 . 现采用三等分的方法证明,该证法比较直观.4．用“Cauchy收敛准则”证明“确界原理”：定理5 非空有上界数集必有上确界；非空有下界数集必有下确界 .证（只证“非空有上界数集必有上确界”）设为非空有上界数集 . 当为有限集时 , 显然有上确界 .下设为无限集, 取不是的上界, 为的上界. 对分区间, 取, 使不是的上界, 为的上界. 依此得闭区间列. 验证为Cauchy 列, 由Cauchy收敛准则,收敛; 同理收敛. 易见↘. 设↘.有↗.下证.用反证法验证的上界性和最小性.二. “Ⅱ”的证明:1. 用“区间套定理”证明“致密性定理”:定理6 ( Weierstrass ) 任一有界数列必有收敛子列.证（突出子列抽取技巧）定理7 每一个有界无穷点集必有聚点.2．用“致密性定理”证明“Cauchy收敛准则”：定理8 数列收敛是Cauchy列.证（只证充分性）证明思路：Cauchy列有界有收敛子列验证收敛子列的极限即为的极限.“Ⅲ”的证明:1. 用“区间套定理”证明“Heine–Borel 有限复盖定理”:2. 用“Heine–Borel 有限复盖定理”证明“区间套定理”:。
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：εε<->>∃>∀||,,,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0n ，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 aB ，b ≤≤∈有。
实数完备性六个定理的互相证明
0 ， x S ，使得 x ，
记为 xn a ( n ) 。如果不存在实数 a，使 xn 收敛于 a，则称数列 xn 发散。
lim xn a 0 ， N N ， n N ，有 xn a 。
二、一些基本概念
1.有界集： 设 S 是一个非空数集，如果 M R ，使得 x S ，有 x M ，则称 M 是 S 的
一个上界；如果 m R ，使得 x S ，有 x m ，则称 m 是 S 的一个下界。当数集 S 既有上界，又有下界时，称 S 为有界集。
a1 b1 a b a b , b1 S ，则记 a2 , b2 = 1 1 , b1 否则记 a2 , b2 = a1 , 1 1 ；...；对 2 2 2 an 1 bn 1 an 1 bn 1 a b an1 , bn1 二等分为 , bn 1 ，若 n 1 n 1 , bn 1 S ， an 1 , 、 2 2 2
则记 a2 , b2 =
a1 b1 a b , b1 否则记 a2 , b2 = a1 , 1 1 ；...；对 an 1 , bn 1 二等分为 2 2
an 1 bn 1 an 1 bn 1 a b , bn 1 ，若 n 1 n 1 非 s 的上界，则记 、 an 1 , 2 2 2 an 1 bn 1 a b an , bn = , bn 1 否则记 an , bn = an 1 , n 1 n 1 ；...，得到一列闭区间 2 2
上界，则记 a2 , b2 =
四个实数系的基本定理的完全互证
职成教苑714289877@四个实数系的基本定理的完全互证ʏ㊀常州铁道高等职业技术学校学生工作处㊀熊晗颖㊀㊀摘要:实数系的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㊂能够反映实数连续性的定理很多,它们彼此等价,教材中以确界存在定理为基础,将这些定理进行一次循环证明就验证了它们的等价性㊂本文把确界存在定理㊁单调有界定理㊁闭区间套定理㊁Cauchy 收敛原理这四个定理的所有互推方法列了出来,旨在更加深刻地理解他们之间的关系㊂本文主要采用了构造的方法,也采用了反证法等证明方法㊂关键词:确界存在定理;单调有界定理;闭区间套定理;Cauchy 收敛原理在高等数学领域中,实数系基本定理常见的有确界存在定理㊁单调有界定理㊁闭区间套定理㊁Cauchy 收敛定理㊂这些定理是极限理论乃至整个数学分析理论的基础㊂每一个课本上都是以一个定理为基础循环证明其它定理,一是因为在教程上一一列出来没有必要,二是这些过程太复杂,有些定理证明还是相当有难度的㊂鉴于这部分内容的重要性与复杂性,本文将其所有的证明情形列出来㊂这五个定理,其实他们属于同一类型,他们都指出,在某一条件下,便有某 点 存在,这种点分别是确界(点)(确界存在定理),极限点(单调有界定理和Cauchy 收敛原理),公共点(闭区间套定理),子列的极限点㊂1㊀利用确界存在定理证明其它定理1.1㊀用确界存在定理证明单调有界定理证㊀不妨设x n {}单调递减有下界,根据确界存在定理,由x n {}构成的数集必有下确界α,满足:(1)∀n ɪN +:x n ȡα,(2)∀ε>0,∃x n 0:x n 0<α+ε㊂取N =n 0,∀n >N :α-ε<αɤx n ɤx n 0<α+ε,因而x n -α<ε,于是得到lim n ңɕx n =α㊂同理可证数列x n {}单调增加且有上界的情况㊂1.2㊀用确界存在定理证明闭区间套定理证㊀由a n +1,b n +1[]⊂a n ,b n [],n =1,2,3, 得a 1ɤ ɤa n -1ɤa n <b n ɤb n -1ɤ ɤb 1㊂由确界存在定理有:a n {}单调增加且有上确界ξ1,b n {}单调减少且有下确界ξ2,则ȵlim n ңɕb n -a n ()=0,ʑξ1=ξ2,设lim n ңɕa n =lim n ңɕb n =ξ由于ξ是a n {}的上确界,也是b n {}的下确界,于是有a n ɤξɤb n ,n =1,2,3, ,即ξ属于所有的闭区间a n ,b n []㊂若另有实数ξᶄ属于所有的闭区间a n ,b n [],则也有a n ɤξᶄɤb n ,n =1,2,3,令n ңɕ,由极限的夹逼性得ξᶄ=lim n ңɕa n =lim nңɕb n =ξ㊂1.3㊀用确界存在定理证明Cauchy 收敛原理引理:基本数列必定有界取ε0=1,因为x n {}是基本数列,所以∃N 0,∀n >N 0:x n -x N 0+1<1㊂令M =max x 1,x 2, ,x N 0,x N 0+1{},则对一切n ,成立x n ɤM ㊂证㊀必要性:设x n {}收敛于a ,按定义,∀ε>0,∃N ,∀n ,m >N :x n -a <ε2,x m -a <ε2,于是x m -x n ɤx m -a +x n -a <ε㊂充分性:由引理,基本数列x n {}必定有界㊂由确界存在定理,数列x n {}必有上确界,记ξ=supn >N x n{},则ξ为x n {}的极限㊂2㊀利用单调有界定理证明其它定理2.1㊀用单调有界定理证明确界存在定理证㊀设S 是非空有上界的实数集合,又设T 是由S 的所有上界所组成的集合,现证T 含有最小数,即S 有上确界㊂取a 1∉T ,b 1ɪT ,显然a 1<b 1㊂现按下述规则一次构造一列闭区间:a 2,b 2[]=a 1,a 1+b 12éëêêùûúú,若a 1+b 12ɪT a 1+b 12,b 1éëêêùûúú,若a 1+b 12∉T ìîíïïïï,a 3,b 3[]=a 2,a 2+b 22éëêêùûúú,若a 2+b 22ɪT a 2+b 22,b 2éëêêùûúú,若a 2+b 22∉T ìîíïïïï㊀显然a n {}单调递增有上界b 1,b n {}单调递减有下界a 1,由单调有界定理,a n {}与b n {}收敛,且lim n ңɕa n =lim n ңɕb n =ξ,现只需说明ξ是集合T 的最小数,也就是集博看网 . All Rights Reserved.714289877@ 职成教苑合S 的上确界㊂当ξ∉T ,即ξ不是集合S 的上界,则存在x ɪS ,使得ξ<x ㊂由lim n ңɕb n =ξ,可知当n 充分大时,成立b n <x ,这就与b n ɪT 发出矛盾,所以ξɪT ㊂若存在ηɪT ,使得η<ξ,则由lim n ңɕa n =ξ,可知当n 充分大时,成立η<a n ㊂由于a n ∉T ,于是存在y ɪS ,使得η<a n <y ,这与ηɪT 发生矛盾㊂从而得出ξ是集合S 的上确界㊂2.2㊀用单调有界定理证明闭区间套定理证㊀由条件①可得a 1ɤ ɤa n -1ɤa n <b n ɤb n -1ɤ ɤb 1㊂显然:a n {}单调增加有上界,b n {}单调减少有下界a 1,由单调有界定理,a n {}与b n {}都收敛㊂设lim n ңɕa n =ξ,则lim n ңɕb n =lim n ңɕb n -a n ()+a n []=lim n ңɕb n -a n ()+lim n ңɕa n =ξ,ξ的惟一性显然成立㊂2.3㊀用单调有界定理证明Cauchy 收敛原理证㊀必要性(略)㊂充分性:由引理1基本数列必有界,其次再证明基本数列x n {}的子列有极限㊂取单调减少的基本数列x n {}的子列x n k {}为例㊂令ε=1n ,则存在N n ()及n 1,n 2>N ,使得x n 1-x n 2<1n ,不妨假设对固定的x n k ,必有x n k <x n k -1,当n k -1,n k >N 时,有x n k -1-x n k <1n㊂否则,由于x n {}为无穷数列,必有当n >N时,x n ʉx n k (k =1,2,3, )为常数列,显然收敛㊂结论成立㊂又因为x n k {}⊆x n {},且x n k {}有界,由单调有界定理知,x n k {}收敛㊂记lim n ңɕx n k =a ㊂即对任意ε>0,存在N ,当k >N 时有:x n k -a <ε最后再证lim n ңɕx n =a ㊂因为x n {}是基本数列,所以∀ε>0,∃N ,∀n ,m >N :x n -x m <ε2㊂在上式中取x m =x n k ,其中k 充分大,满足n k >N ,并且令k ңɕ,于是得到x n -a ɤε2<ε,此即证明数列x n {}收敛㊂3㊀利用闭区间套定理证明其它定理3.1㊀用闭区间套定理证明确界存在定理证㊀设S 是非空有下界的实数集合,又设T 是由S 的所以下界所组成的集合,现证T 含有最小数,即S 有下确界㊂构造一列闭区间,存在唯一的实数ξ属于所有的闭区间a n ,b n [],通过反证法可得证ξ是集合T 的最大数,也就是S 的下确界㊂当ξ∉T ,即ξ不是集合S 的下界,则存在x ɪS ,使得ξ>x ㊂由lim n ңɕa n =ξ,可知当n 充分大时,成立a n >x ,这就与a n ɪT 发出矛盾,所以ξɪT ㊂若存在ηɪT ,使得η>ξ,则由lim n ңɕb n =ξ,可知当n 充分大时,成立η>b n ㊂由于b n ∉T ,于是存在y ɪS ,使得y <b n <η,这与ηɪT 发生矛盾㊂从而得出ξ是集合S 的下确界㊂3.2㊀用闭区间套定理证明单调有界定理证㊀设数列x n {}单调递增有上界,记单调递减数列M n {}是x n {}的全体上界,则x 1<x 2< <x n <M n <M n -1< <M 2<M 1,显然有x n +1,M n +1[]⊂x n ,M n [],且limn ңɕM n -x n ()=0,所以x n ,M n []{}形成了一个闭区间套㊂由闭区间套定理,存在唯一实数ξ属于所有的闭区间x n ,M n [],且lim n ңɕx n =lim n ңɕM n =ξ,同理可证单调减少有下界的情况㊂3.3㊀用闭区间套定理证明Cauchy 收敛原理证㊀必要性(略)㊂充分性:设x n {}为基本数列,且a 1ɤx n ɤb 1,n ɪN +,将a 1,b 1[]二等分,令c 1=a 1+b 12得到两个长度相同的子区间a 1,c 1[]㊁c 1,b 1[],分别记为J 1㊁J 2,据它们在实数轴上的左右位置和基本数列的定义即可发现:在左边的J 1和右边的J 2中,至少有一个子区间只含有数列x n {}中的有限项㊂这从几何上看是很直观的,若在J 1和J 2中都有数列中的无穷多项,则可以在J 1中取x n ,在J 2中取x m 使得n ,m 都可以任意大,同时满足不等式x m -x n ȡb -a2这与x n {}为基本数列的条件矛盾,所以可以从a 1,b 1[]去掉只含有数列x n {}中有限项子区间J 1和J 2(若两个子区间都是如此则任取其一)将得到的区间记为a 2,b 2[],重复上述步骤,无限进行下去,便得区间套a k ,b k []{},且满足闭区间套中的每个区间长度是前一个区间长度的12,每一个a k ,b k []中含有数列x n {}中从某项起的所有项㊂所以存在ξ是a n {},b n {}从两侧分别单调收敛于ξ㊂现只需证明基本数列x n {}收敛于ξ㊂∀ε>0,∃n ɪN ,使a n ,b n 进入点ξ的邻域,即有a n ,b n []⊂ξ-ε,ξ+ε()㊂因a k ,b k []中含有数列x n {}中从某项起的所有项,所以∃N 1,当n >N 1时成立x n -ξ<ε㊂4㊀利用Cauchy 收敛原理证明其它定理4.1㊀用Cauchy 收敛原理证明确界存在定理证㊀设S 是一个有上界的集合㊂取实数b 1,使对所有x ɪS ,都有x <b 1㊂取a 1ɪS 并考察区间a 1,b 1[]的中点a 1+b 12,若a 1+b 12是S 的上界,则令a 2=a 1,b 2=a 1+b 12;若a 1+b 12不是S 的上界,则令a 2=a 1+b 12,b 2=b 1㊂于是总可得到区间a 2,b 2[],使b 2是S 的上界㊂a 2,b 2[]中有S 点且b 2-a 2=12b 1-a 1()再对闭区间a 2,b 2[]进行同样的处理,又可得到闭区间a 3,b 3[],使得b 3是S 的上界,a 3,b 3[]中有S 的点且b 3-a 3=b 2-a 22=b 1-a 122㊂重复此步骤,可得到一个闭区间的序列a n ,b n []{},满足下列条件:博看网 . All Rights Reserved.职成教苑714289877@(1)a n +1,b n +1[]⊂a n ,b n [],n =1,2,3, ㊂(2)b n -a n =b 1-a 12n -1,n =1,2,3, ㊂(3)对每个n ɪN ,b n 是S 的上界且a n ,b n []ɘS ʂ⌀,由(1)和(2)知,当m >n 时有b m -b n =b m -b n <b n -a n=12n -1b 1-a 1(),可见b n {}为基本数列,由柯西收敛原理知b n {}收敛,设b n {}收敛于M ㊂任意x ɪS 和任意n ɪN ,均有x ɤb n ,所以x ɤM ,即M 为S 的上界㊂对∀ε>0,由于b n -a n {}的极限为0,所以有n 0使b n 0-a n 0<ε,又因为b n 0ȡM ,所以a n 0ȡb n 0-εȡM -ε由(3)知a n 0,b n 0[]中有S 的点,这表明M -ε不是S 的上界,所以S 是M 的上确界,所以(2)成立㊂4.2㊀用Cauchy 收敛原理证明单调有界定理证㊀假设x n {}单调减少且有下界,但不收敛,则∃ε0,对∀N ,∃m >n >N 使得x n -x m ȡε0,即x m -x n ɤε0㊂取N 1=1,则∃m 1>n 1>N 1使得x m 1-x n 1ɤε0;取N 2=m 1,则∃m 2>n 2>N 2使得x m 2-x n 2ɤε0; ;取N k =m k -1,则∃m k >n k >N k 使得x m k -x n k ɤε0,如此下去,得到子列x n k {},x m k {}满足:kε0ȡx m k -x n k ()+ +x m 2-x n 2()+x m 1-x n 1()ȡx m k-x m k -1()+ +x m 2-x m 1()+x m 1-x n 1()=x m k -x n 1所以x m k -x n 1ң+ɕ,k ңɕ㊂这与x n {}有界矛盾,从而x n {}收敛㊂同理可证单调增加有上界的情形㊂4.3㊀用Cauchy 收敛原理证明闭区间套定理证㊀设m >n ,有0ɤa m -a n <b n -a n ң0(n ңɕ),所以数列a n {}是一基本数列,顾lim n ңɕa n =ξ,由此得到㊀lim n ңɕb n =lim n ңɕb n -a n ()+lim n ңɕa n =ξ㊂由于数列a n {}单调增加,数列b n {}单调减少,可知ξ是属于所有闭区间a n ,b n []的唯一实数㊂参考文献[1]陈纪修.於崇华.数学分析第二版上册[M ].北京:高等教育出版社,2004.[2]包丙寅.实数基本定理的等价性证明[J ].赤峰学院学报,2010,26(07).[3]胡永生.浅谈致密性定理的不同证明方法[J ].中国校外教育下旬刊,2008,(03).[4]扶炜.实数完备性六大基本定理的等价性证明[J ].信阳农业高等专科学校学报,2012,22(02).[5]刘利刚.实数系基本定理等价性的完全互证[J ].数学的实践与认识,2008,38(24).[6]常利利.数学分析同步辅导与课后习题详解[M ].第二版.上册.长春:吉林大学出版社,2008:7.责任编辑㊀孙晓东(上接第37页)4.2㊀多方面评价,全方位发展首先,弱化评价的选拔目的,重视学生发展的过程的均衡㊂促进每一个学生的全面发展是我国基础教育的根本任务,作为评价教学效果的重要指标,基础教育的根本目的不应是选拔拔尖性人才,而是帮助每一个学生发现其学习过程中存在的问题,以获得在未来获得更好的发展㊂其次,评价标准应更加多元化㊂每个学生都有自己的性格特长和钟爱的优势领域,因而在教育评价上就不能 单以分数论英雄 ,用一把尺子衡量所有学生㊂评价标准应包含道德品质㊁学业考试成绩㊁身体素质以及综合实践能力等多项标准,并且每项标准所占权重应均等,从而彻底打破考试卷面得分在学生评价中的 垄断地位 ㊂最后,避免单独使用结果评价,应将过程评价与结果评价相结合㊂过程评价是指在学生学习过程中,经常进行的对学生知识掌握情况㊁能力发展水平的评价㊂其目的不在于打分,而在于发现问题㊂结果评价是对学生学习成果的整体评价,在基础教育阶段,通常以打分的方式出现㊂评价的根本目的在于促进学生的发展而不仅仅是评定学生学习的阶段性成果㊂发现学生在学习过程中出现的问题并给予改进建议是促进学生迅速成长的有效途径,因而评价指标应更全面㊁合理,而不是仅给学生一个单一的分数认定㊂4.3㊀明确责任主体,加强监督管理建议国家将减负政策的全面落实纳入法治管理范围㊂如果教育主管部门放任不管,拒不履行责任,就应当承担相应的法律责任;如果校领导和教师违反减负政策要求,也应接受相应处罚;如果家长擅自给学生加压,也应承担相应的后果㊂加强对校外辅导机构的监管力度,杜绝超前教学㊁课业负担过重等不利于学生成长的教学方式,从而促进中小学生的健康成长㊂参考文献[1]聂清杰.中小学生负担过重的原因及对策[J ].国家高级教育行政学院学报,2000,(05):25-26.[2]朱晓芬. 减负 不要走向极端[J ].湖北教育:政务宣传,2001,(09):8-8.[3]姚佳胜,方媛.政策工具视角下我国减负政策文本计量研究[J ].上海教育科研,2019,(02):10-15.[4]张冰,程天君.新中国成立以来学生 减负 历程的回顾与反思[J ].教育科学,2019,35(06):33-39.[5]何东昌.中华人民共和国教育史纲[M ].海南:海南出版社,2002:203.[6]陈的非. 文革 期间中,小学课程与教学改革研究[D ].长沙:湖南师范大学.[7]王硕. 减负 背景下小学生家长家教观念研究[D ].芜湖:安徽师范大学,2019.[8]新华社.中共中央办公厅㊀国务院办公厅㊀关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见[J ].河南教育(基础版),2021,(09):4-8.[9]罗秀艳.提升教学实践能力促进教师专业发展[J ].科学中国人,2015,(1X ):104.责任编辑㊀孙晓东博看网 . 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实数系完备性基本定理的等价性分析
－
A | ≤Bn
－
An ，又因为
lim （
n→∞
Bn
－
An ）
= 0，所以 A =
B，记作 P = A = B，则存在唯一一点 P，使得 P∈［An ，Bn ］，
n = 1，2，3…，所以证明成立．
（ 三） 从区间套定理出发，证明有限覆盖定理
证明 反证法： 假设在 M 中不能选出有限个开区间去
覆盖［A，B］． 将［A，B］等分为两个子区间，则其中至少有一
个子区间不能用 M 中有限个开区间来覆盖． 记不能覆盖的
区间为［A1 ，B1 ］，则［A1 ，B1］［A，B］，且 B1
－ A1
=
1 2
（B－
A） ． 再将［A1 ，B1］等分为两个子区间，同样，其中至少有一个 子区间不能用 M 中有限个开区间来覆盖． 记不能覆盖的区间
为［A2 ，B2 ］，则［A2 ，B2］［A1 ，B1 ］，且
区间套定理、有限覆盖定理、聚点定理、柯西收敛准则．
定理一： 确界原理，A 为集合，且 A 为非空数集，若集合
A 有上界或下界，则集合 A 必有上确界或下确界．
定理二： 单调有界定理，在实数系中，无论单调递增数
列或单调递减数列，必有极限存在．
定理三： 区间套定理，若｛ ［An ，Bn ］，An ，Bn ∈Ｒ｝ 是一个 区间套，则存在唯一一点 P，使得 P∈［An，Bn］，n = 1，2，3，…．
高教视野
GAOJIAO SHIYE
7
实数系完备性基本定理的等价性分析
◎万 骏 （ 三峡大学，湖北 宜昌 443002）
【摘要】本文阐述了实数系完备性的 6 个基本定理，依 次证明，从而证明其等价性．
实数系完备性基本定理的等价性分析
实数系完备性基本定理的等价性分析实数系完备性基本定理是数学中有重要意义的定理，它证明了实数系是完备的，也就是说，任何一个实数系中的任何一个非零多项式都有唯一的根。
本文将从实数系完备性基本定理的等价性出发，来分析它的意义和印象。
首先，实数系的完备性基本定理的等价性指的是：任何一个给定的非零多项式都有唯一的根，而这一特性决定了实数系的特殊性质以及它在数学上的重要性。
只有当实数系满足它的所有要求时，它才能够满足一系列结果，包括但不限于：实数系是一个完整的结构，可以容纳任意复杂的数学问题，并且只有它可以产生有效的数学解答；实数系也可以实现几何学上的许多特别复杂的性质，有助于提供几何学上十分有用的信息，从而使得它有可能用来解决几何应用问题。
其次，实数系完备性基本定理的等价性也可以推广到其他数学结构中，如实数的子结构实数点系列、实数的延伸结构复数系列以及数学的抽象结构域系列，他们在所有的情况下都保留了实数系完备性基本定理的等价性。
例如，在实数点系列中，任何一个给定的多项式都有唯一的实数点根，这也是实数系完备性基本定理的等价性，这一定理有助于证明实数的有效性，而在进行数学计算时，它也是必不可少的。
同样的，在复数系列中，任何一个给定的复数都有唯一的虚数根，而在域系列中，任何一个有限的基本元素和有限的操作都可以确定出唯一的域，从而证明实数系完备性基本定理的等价性。
另外，实数系完备性基本定理在其他数学研究领域也有其重要性，例如非线性动力系统的研究、矩阵计算与特征值分析、信号与系统理论等。
它们都依赖于实数系完备性基本定理的等价性，它们需要实数系满足其完备性，才能够得出有效且精确的解决方案。
总之，实数系完备性基本定理的等价性对于数学的发展具有重要的意义，它证明了实数系是完备的，且有助于证明实数的有效性，这也是实数系在数学上的重要性。
它的等价性也可以被推广到其他数学结构中，它不仅为实数系提供有效的解决方案，而且也为其他数学研究领域提供有助的信息。
实数六大定理证明
实数六大定理证明这六大定理分别为：确界存在定理、单调有界定理、有限覆盖定理、聚点定理、致密性定理、闭区间套定理，还有一个柯西收敛准则。
实数系的基本定理也称实数系的完备性定理、实数系的连续性定理，它们彼此等价，以不同的形式刻画了实数的连续性，它们同时也是解决数学分析中一些理论问题的重要工具，在微积分学的各个定理中处于基础的地位。
7个基本定理的相互等价不能说明它们都成立，只能说明它们同时成立或同时不成立，这就需要有更基本的定理来证明其中之一成立，从而说明它们同时都成立。
引进方式主要是承认戴德金公理，然后证明这7个基本定理与之等价，以此为出发点开始建立微积分学的一系列概念和定理。
在一些论文中也有一些新的等价定理出现，但这7个定理是教学中常见的基本定理。
扩展资料实数系的公理系统设R是一个集合，若它满足下列三组公理，则称为实数系，它的元素称为实数:对任意a，b∈R，有R中惟一的元素a+b与惟一的元素a·b分别与之对应，依次称为a，b 的和与积，满足：1、（交换律）对任意a，b∈R，有a+b=b+a，a·b=b·a。
2、（结合律）对任意a，b，c∈R，有a+(b+c)=(a+b)+c，a·(b·c)=(a·b)·c。
3、（分配律）对任意a，b，c∈R，有(a+b)·c=a·c+b·c。
4、（单位元）存在R中两个不同的元素，记为0,1分别称为加法单位元与乘法单位元，使对所有的a∈R，有a+0=a，a·1=a。
5、（逆元）对每个a∈R，存在R中惟一的元素，记为-a，称为加法逆元；对每个a∈R\{0}，存在R中惟一的元素，记为a^(-1)，称为乘法逆元，使a+(-a)=0。
a·a^(-1)=1。
实数完备性的六大基本定理的相互证明共个
实数完备性的六大基本定理的相互证明共个实数完备性的六大基本定理是实分析中的重要结果，其中包括单调有界原理、上确界原理、下确界原理、戴德金（Dedekind）分割原理、稳定原理和柯西（Cauchy）收敛准则。
这些定理互相独立，但可以相互推导和证明。
下面我将按照给定的字数要求，大致叙述这些定理之间的证明关系。
1.单调有界原理→上确界原理首先我们证明单调有界原理蕴含上确界原理。
假设存在一个非空有上界的实数集合A，我们可以定义一个从A到R （实数集）的单调递增序列。
考虑一个函数f：N→A，其中N是自然数集合。
我们可以通过以下方法生成这个序列：1.对于每个n∈N，令An={a∈A，a≤f(n)}；2.由于A有上界，所以An也有上界；3.根据单调有界原理，An存在上确界。
令f(n)为An的上确界。
现在我们可以看出，这个序列f(n)是一个单调递增的序列，并且对于任意a∈A，存在一个自然数n使得a≤f(n)。
因此f(n)就是A的上确界。
2.上确界原理→下确界原理接下来我们证明上确界原理蕴含下确界原理。
假设存在一个非空有下界的实数集合B，我们可以定义一个从B到R （实数集）的单调递减序列。
考虑一个函数g：N→B，其中N是自然数集合。
我们可以通过以下方法生成这个序列：1.对于每个n∈N，令Bn={b∈B，g(n)≤b}；2.由于B有下界，所以Bn也有下界；3.根据上确界原理，Bn存在下确界。
令g(n)为Bn的下确界。
现在我们可以看出，这个序列g(n)是一个单调递减的序列，并且对于任意b∈B，存在一个自然数n使得g(n)≤b。
因此g(n)就是B的下确界。
3.戴德金分割原理→单调有界原理接下来我们证明戴德金分割原理蕴含单调有界原理。
假设存在一个非空无上界的实数集合C，我们可以定义一个从C到R （实数集）的单调递增序列。
考虑一个函数h：N→C，其中N是自然数集合。
我们可以通过以下方法生成这个序列：1.对于每个n∈N，令Cn={c∈C，h(n)≤c}；2.C没有上界，因此Cn也没有上界；3.根据戴德金分割原理，Cn的上确界不存在。
实数基本定理等价性证明
定理 1 （确界存在定理—实数系连续性定理）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.定理2 单调有界数列必定收敛.定理3 （闭区间套定理）设一无穷闭区间列{}[,]n n a b 适合下面两个条件： (i) 后一区间在前一区间之内，即对任一正整数n ，有11n n n n a a b b ++≤<≤； (ii) 当n →∞时，区间列的长度所成的数列{}()n n b a -收敛于零，即lim()0n n n b a →∞-=，则区间的两个端点所成两数列{}n a 及{}n b 收敛于同一极限ξ，并且ξ是所有区间的唯一公共点.定理4 （致密性定理，Bolzano-Weierstrass 定理）有界数列必有收敛子列.定理5 （Cauchy 收敛原理）数列{}n x 收敛的充分必要条件是：{}n x 是基本列.定理6 （有限覆盖定理）若开区间所成的区间集E 覆盖一个闭区间[,]a b ，则总可从E 中选出有限个区间，使这有限个区间覆盖[,]a b .定理7 （Weierstrass 聚点定理）有界无限数集A 必有聚点0x ∈ . 定理1⇒定理2 ：我们只就单调增加的有界数列予以证明.设{}n y 有界，则必有上确界{}sup n y β=.再设{}n y 是单调增加的，现在证明β恰好就是{}n y 的极限，即()n y n β→→∞.由上确界的定义有(i)(1,2,3,)n y n β≤= ；(ii)对任意给定的0ε>，在{}n y 中至少有一数N y ，有N y βε>-.但由于{}n y 是单调增加数列，因此当n N >时，有n N y y ≥，从而n y βε>-.也就是说，当n N >时，有0n y βε≤-<，所以 ()n y n β→→∞.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增加的，则极限就是它的上确界.同样可证单调减少有界数列的极限存在，并且极限就是它的下确界.定理2⇒定理3 ：由定理的条件立即知道{}n a 是单调增加且有上界的数列，{}n b 是单调减少且有下界的数列，则lim n n a →∞存在，且极限等于{}n a 的上确界；同样lim n n b →∞存在，且等于{}n b 的下确界.亦即对任何正整数k ，有lim ,lim k n k n n n a a b b →∞→∞≤≥， (*)由定理的另一条件lim()0n n n b a →∞-=，并且由于已知{}n a 及{}n b 的极限都存在，则有lim()lim lim 0n n n n n n n b a b a →∞→∞→∞-=-=.从而证明了两个极限相等，且设ξ是它们的同一极限.于是定理前一部分的结果即已证得.余下要证的是ξ是所有区间的唯一公共点.由(*)的两个不等式，即有(1,2,)k k a b k ξ≤≤= ，也就是ξ是所有区间的一个公共点.现在要证明ξ是唯一公共点.设除点ξ外，所设区间列还有另一个公共点ξ'，且ξξ'≠.由于,(1,2,)n n a b n ξξ'≤≤= ，故有(1,2,)n n b a n ξξ'-≥-= .由数列极限的性质知道lim()n n n b a ξξ→∞'-≥-，由于lim()0n n n b a →∞-=，故有0ξξ'-≤，从而有ξξ'=.到此定理的全部结果都已证得.定理6⇒定理3 先证1[,]n n n a b ∞=≠∅ .假如1[,]n n n a b ∞==∅ .令(,)\[,]n n n G a b =-∞+∞，12(,),(,),1,2,n n n n G a G b n =-∞=+∞= .那么12n n n G G G = .不难说明111[,]n n G a b ∞=⊃ （如果不然，存在111[,]\n n x a b G ∞=∈1111([,]\)[,]n n n n n a b G a b ∞∞==== .这与假设1[,]n n n a b ∞==∅ 矛盾）.既然111[,]n n G a b ∞=⊃ .根据Borel 有限覆盖定理可知，必存在有限个开区间覆盖11[,]a b ，设它们是。
实数完备性基本定理的相互证明(30个)
２）
ｂｎ－ａｎ ＝
我们证明，存在唯一的实数ξ，使得ξ∈［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ ＝１，２，⋯） 存在性：令Ｓ＝｛ａｎ｝，显然，Ｓ非空且有上界（任一ｂｎ都是其上界）.据确界原理，Ｓ
有上确界，设supＳ ＝ξ．现在，我们证明ζ属于每个闭区间［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ＝１，２， ⋯）显然 ａｎ ≤ξ，（ｎ ＝１，２，⋯） 所以，我们只需证明对一切自然数ｎ，都有ξ≤ｂｎ． 事实上，因为对一切自然数ｎ，ｂｎ都是Ｓ 的上界，而上确界是上界中最小者，因此必有 ξ≤ｂｎ ，故我们证明了存在一实数ξ，使得ξ∈［ａｎ，ｂｎ］，（ｎ ＝１，２，⋯）
时有a - ε < aN ≤ an. 另一方面,由于a 是{ an}的一个上界,故对一切an 都有an ≤ a < a + ε.所以当 n≥ N 时有
a - ε < an < a + ε,
这就证得 an = a.同理可证有下界的递减数列必有极限,且其极限即为它的下确界.ຫໍສະໝຸດ 2.确界原理证明区间套定理
证明：１ 设 ［ａｎ，ｂｎ］ 是一个闭区间套，即满足： １） ∀ｎ，［ａｎ＋１，ｂｎ＋１］⊂［ａｎ，ｂｎ］；
实数完备性基本定理的相互证明（30 个）
摘要：这 6 个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。它们在证明过程中相互联系。对同一个定理的证明， 虽然不同的定理作为工具会使证明有简繁之分，有的用的是类似的证明方法，有的出发点与站的角度不同， 但最后却都能殊途同归。而有时使用同一个定理，也可能有不同的方法。即使方法相同，还可以有不同的 细节。作为工具，它们又各具特点。而这些都是值得我们去注意与发现。
唯一性: 假设还有另外一点 R 且 [an , bn ] ，则| || an bn | 0,
实数完备性定理相互等价的证明
易证。
因此，有。
由于 bn 都为 S 的上界，所以也为 S 的上界。
从而可知，。
即，故为 S 的上确界。
(38 定理定理 2(Cauchy 收敛准则单调有界定理证不妨设 {xn } 为单增有上界数列。
假设 {x n } 无极限，Cauchy 收敛准则可知，但是。
由 N 的任意性，不难得到 {x n } 的一个严格单增的子列 {xn k } ，满足。
由于时，有，故 {x n } 收敛。
所以当。
这与 {x n } 为有界数列矛盾， (39 定理定理 3(Cauchy 收敛准则区间套定理证设 {[ a n , bn ]} 是 Cantor 区间套。
则由可知，时，有。
由于{a n } 单调递增，{bn } 中的每一个元素都为 {a n } 的上界。
故，则有。
故由 Cauchy 收敛准则可知 {a n } 收敛，记其极限为。
由(3.1 易证。
由 {a n } ， {bn } 的单调性可知有n , bn ] 。
(40 定理定理 4(Cauchy 收敛准则-Borel 有限覆盖定理证(反证法假设闭区间 [ a, b] 有一个开覆盖不能用它的任有限个开区间覆盖。
定义性质 P ：不能用中有限个开区间覆盖。
仿(9的证明，利用二等分法容易构造出满足性质 P 的区间套 {[ a n , bn ]} 。
仿(39的证明可知，，从而，，有 [a n , bn ]，这与 [a n , bn ] 具有性质 P 矛盾。
这就证明了 Heine–Borel 有限复盖定理。
(41 定理定理 5(Cauchy 收敛准则聚点原理证设 S 为直线上有界点集，则使得 S 。
定义性质 P : 至少含有 S 中的无限多个点。
利用二等分法容易构造出具有性质 P 的区间套 {[ a n ,bn ]} 满足(3.1 。
由性质 P 任意挑选 S 中不同的点构成的数列 {x n } 使得n , bn ] 。
，由(3.1和极限定义知，由定义知 {x n } 是 Cauchy 列。
数学学论文毕业论文实数完备性基本定理等价性的证明
实数完备性基本定理等价性的证明摘要 本文通过循环证明对实数完备性基本定理的等价性作出了证明. 关键词 实数完备性基本定理 等价性 循环证明§1 引在这一节，主要对本文所用到的定义，定理及推论作以介绍. 定义 设闭区间列[]{}n n b a ,具有如下性质：（i ）[][]11,,++⊂n n n n b a b a , ,2,1=n ; （ii ）()n n n a b -∞→lim =0,则称[]{}n n b a ,为闭区间套，或简称区间套.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.单调有界定理 在实数系中，有界的单调数列必有极限.区间套定理 若[]{}n n b a ,是一个闭区间套，则在实数中存在唯一的一点 ξ，使得[],,2,1,, =∈n b a n n ξ即.,2,1, =≤≤n b a n ξ推论 若[],,2,1,, =∈n b a n n ξ 是区间套[]{}n n b a ,所确定的点，则对任给的ε> 0，存在N> 0，使得当n>N 时有[]()εξ;, ⊂n n b a .有限覆盖定理 设H 为闭区间[]b a , 的一个（无限）开覆盖，则从H 中可选出有限个开区间来覆盖 []b a ,.聚点定理 实数轴上任一有限无界点集 S 至少有一个聚点.柯西收敛准则 数列{}n a 收敛的充要条件是：对任给的ε>0 ，存在正整数N ，使得当n,m>N 时有 n n b a -〈ε.§2 六大基本定理等价性的证明本节就是对六大基本定理等价性的证明.首先列出证明过程的基本框架：确界原理 ⇒ 单调有界定理 ⇒ 区间套定理⇑ ⇓柯西收敛准则 ⇐ 聚点定理 ⇐有限覆盖定理下面就是这个循环证明的过程.1 由确界原理证明单调有界定理证 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 a=sup {}n a . 下面证明 a 就是{}n a 的极限 . 事实上，任给ε 〉0 ，按上确界的定义，存在数列 {}n a 中某一项N a ，使得a-ε〈 N a . 又由{}n a 的递增性，当n ≥N 时有a-ε <N a n a ≤.另一方面，由于a 是{}n a 的一个上界，故对一切n a , 都有n a ≤a<a+ε. 所以当 n ≥N 时有a-ε<n a <a+ε,这就证得∞→n lim n a =a. 同理可证有下界的递减数列必有极限，且其极限即为它的下确界.2 由单调有界定理证明区间套定理证 由区间套的定义，各闭区间的端点满足如下不等式：,1221b b b a a a n n ≤≤≤≤≤≤≤≤即{}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 （1）同理，递减有界数列{}n b 也有极限，并按区间套的条件（ii ）有ξ==∞→∞→n n n n a b l i m l i m （2）且 n b ξ≤,.,2,1 =n （3）联合（1）及（3）即得.n a ≤ξn b ≤,.,2,1 =n （4）最后证明满足（4）的ξ 是唯一的 ，设数ξ' 也满足, n a ξ'≤,,2,1, =≤n b n 则由（4）式有-≤'-n b ξξ n a ，.,2,1 =n 由区间套的条件（ii ）得(),0lim =-≤'-∞→n n n a b ξξ故有 ='ξ ξ.3 由区间套定理证明有限覆盖定理证 用反证法 假设定理的结论不成立，即不能用H 中有限个开区间来覆盖[]b a , .将[]b a , 等分为两个子区间，则其中至少有一个子区间不能用H 中有限个开区间来覆盖. 记这个子区间为[]11,b a ，则[]11,b a []b a ,⊂ ，且()a b a b -=-2111 . 再将[]11,b a 等分为两个子区间，同样，其中至少有一个子区间不能用H 中有限个开区间来覆盖. 记这个子区间为[]22,b a ，则[]22,b a ⊂ []11,b a ，且()a b a b -=-22221. 重复上述步骤并不断进行下去，则得到一个闭区间列[]{}n n b a , ，它满足[][],,2,1,,,11 =⊃++n b a b a n n n n .()(),021∞→→-=-n a b a b n n n 即[]{}n n b a , 是区间套，且其中每一个闭区间都不能用H 中有限个开区间来覆盖.由区间套定理，存在唯一的一点∈ξ[]n n b a , ,n=1,2,…. 由于H 是[]b a , 的一个开覆盖，故存在开区间()∈βα,H ，使()βαξ,∈. 于是，由区间套定理推论，当n 充分大时有[]n n b a ,()βα,⊂ .这表明[]n n b a , 只须用H 中的一个开区间()βα, 就能覆盖，与挑选[]n n b a , 时的假设“不能用H 中有限个开区间来覆盖”相矛盾. 从而证得必存在属于H 的有限个开区间能覆盖[]b a , .4 由有限覆盖定理证明聚点定理证 设A 为有界无限点集 .那么存在正数M>0 ，使得 A []M M ,-⊂ .假设[]M M ,- 中任意点都不是A 的聚点，则对任意一点x ∈[]M M ,-, 必存在相应的()x δ>0 使得在()δ,x ⋃ 中至多有 A 的有限个点. 记()[]{}M M x x H ,,-∈⋃=δ，则H 为A 的一个开覆盖 .由有限覆盖定理，在H 中可以找到有限个开区间覆盖[]M M ,-. 记为()[]{} ,2,1,,,=-∈⋃='i M M x x H i i i δ ，从而更能覆盖A .因H '内至多含有A 中有限个点，从而 A 为有限点集，与假设“ A 是有界无限点集”矛盾 . 故区间 []M M ,- 中至少有一个集合 A 的聚点，即集合A 至少有一个聚点.5 由聚点定理证明柯西收敛准则 证 先证条件的必要性：设a x n → ，则对任意给定的 ε>0, 有一正整数N ，当k.>N 时，有 2ε<-a x k从而当m, n>N 时，有εεε=+<-+-≤-22m n m n x a a x x x其次，证明条件的充分性：设数列{}n a 满足条件：对任给正数ε ，总存在某一个自然数N ，使得当m, n>N 时，都有ε<-n m a a . 取1=ε ，则存在自然数1N ，当n>1N 时，有 111<-+N n a a , 从而111+<+N n a a , 令M=max {}1,,,,12111++N N a a a a , 则对一切 ,,2,1 =n 有M a n ≤ , 即 {}n a 有界.下证{}n a 有收敛子列 .若E={} ,2,1=n a n 是有限集，则 {}n a 必有一常子列；若E 为无限集，则由聚点定理， E 有一个聚点 A. 由聚点定义可证，存在{}k n a ，使A a k n k =∞→lim .总之，{}n a 有收敛子列 .设 A a k n k =∞→lim ，则对任给正数ε ，存在N ，当k, m,n>N 时，有2ε<-m n a a , 2ε<-A a k n .所以当 n>N （任取 k>N ，使 n n k > ）时，有 εεε=+<-+-≤-22A a a a A a k k n n n n .故 A a n n =∞→lim .6 用数列的柯西收敛准则证明确界原理证 设S 为原理非空有上界数集 . 由实数的阿基米德性，对任何正数α，存在整数αk ，使得αλααk = 为S 的上界，而 ()ααλαα1-=-k 不是S 的上界，即存在 ∈'αS ，使得()ααα1->'k .分别取 ,2,1,1==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nn 1-λ 不是 S 的上界，故存在S a ∈'，使得nn 1->'λα . (5)又对正整数 m, m λ是S 的上界，故有 a m '≥λ 结合（5）式得nm n 1<-λλ ；同理有mn m 1<-λλ . 从而得⎪⎭⎫⎝⎛<-n m n m 1,1m a x λλ .于是，对任给的0.>ε，存在N>0 ，使得当 m ,n >N 时有ελλ<-n m .由柯西收敛准则,数列{}n λ 收敛 .记..lim λλ=∞→n n (6)现在证明λ就是S 的上确界 .首先,对任何a ∈S 和正整数n 有a n λ≤,由(6)式得a λ≤,即λ是的S 一个上界 .其次, 对任何δ>0 ,由()∞→→n n01及(6)式, 对充分大的n 同时有 2,21δλλδ-><n n . 又因n n 1-λ 不是S 的上界, 故存在S a ∈', 使得na n 1->'λ. 结合上式得 δλδδλ-=-->'22a .这说明λ为S 的上确界 .同理可证：若S 为非空有下界数集,则必存在下确界 .参考文献[1] 华东师范大学数学系 编 《数学分析》 高等教育出版社 2001年6月第3版 35P 168161-P[2] 复旦大学数学系陈传璋等编《数学分析》高等教育出版社1983年7月第2版[3] 杨熙鹏邵子逊刘颖植主编《数学分析习题解析》陕西师范大学出版社[4] 钱吉林等主编《数学分析题解精粹》崇文书局2003年8月第1版The Proof on the Equivalent Relations in the Foundamental Theoremsof Completeness of Real NumbersAbstract In this paper , we prove to the equivalent relations in the foundamental theorems of the completeness of real numbers by cyclic proof .Key words completeness of real numbers foundamental theorem equivalent relation cyclic proof。
关于实数七个基本定理等价性的证明
关于实数七个基本定理等价性的证明夏小月中山大学应用数学04级从开始学习数学分析至今，我们共学习了七个实数基本定理，他们分别是： ○1戴德金连续性准则 ○2单调有界有极限定理 ○3确界定理 ○4区间套定理 ○5Borel 有限覆盖定理 ○6Bolzano-Weierstrass 定理 ○7Cauchy 收敛原理 书上证明各定理的思路是：从○1出发证明○2及○3，并证明○1、○2、○3相互等价，此过程中得到：“单调上升有上界数列的极限即为数列上确界”这一加强结论。
由○2及此加强结论可证出○4，再由○4分别证出○5及○6，由○6证出○7。
下面给出这七个实数基本定理之间相互等价的证明，大概思路如下：⇔⇔⇒⇔⇒⇒⇒①④⑦②⑥②③⑤④详细证明如下： ⇒①④已知有区间套[]{},n n a b 满足()lim 0n n n b a →∞-=，[][]()11,,n n n n a b a b n ++⊂∀。
要证存在唯一的[]1,nnn r a b ∞=∈I ，且lim lim nn n n ba r →∞→∞==记{}n a 全体上界组成的集合为B ，\A =B R 。
由[][]()11,,n n n n ab a b n ++⊂∀，知121n n a a a b b ≤≤⋅⋅⋅≤≤≤⋅⋅⋅。
显然11a -∈A ，11b +∈B ，且{}n b ⊂B ，故知A B 、不空；由A =B R \知A B 、不漏；,a b ∀∈A ∀∈B ，由于a 不是{}n a 的上界，因此存在{}0n n a a ∈，使0n a a <。
而b 是{}n a 上界之一，所以0n a b ≤，故0n a a b <≤，即a b <，故不乱，因此|A B 构成实数的一个分划。
由①知，存在唯一的r ，,a b ∀∈A ∀∈B ，有a b ≤。
下证[]1,nnn r a b ∞=∈I ，即,n n n a r b ∀≤≤若∃N ，使n a r >，则2n n a r a +<，因此2n a r +∈A ，而2n a rr +>，与,a a r ∀∈A ≤矛盾。
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2n x x ε-<.于是对一切,m n N >，有22m n m n x x x x x x εεε-≤-+-<+=.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 nx 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 nx 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2n x x ε-<.于是对一切,m n N >，有22m n m n x x x x x x εεε-≤-+-<+=.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-<.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.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2n x x ε-<.于是对一切,m n N >，有22m n m n x x x x x x εεε-≤-+-<+=.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 kn 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{}1inx 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{}1inx 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,nna 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,nna b n =的公共点，从而存在正整数xn，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：(),,xnx x n nx 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{}1ikx i U =覆盖.注意到闭区间套之间的包含关系，则所有{}1ikx 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 ik k n n x n n x n n i i a b a b U a b Ua 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{}1inx 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2n x x ε-<.于是对一切,m n N >，有22m n m n x x x x x x εεε-≤-+-<+=.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{}1inx 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{}()(),,kn x U ξεξεξε⊂=-+.则取1N n =，对一切正整数1n N n >=，假设kn n <.利用{}nx 是单调的，nx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()02n n n b ab a n --=→→+∞ 于是存在某个0k n ，使得0k 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2n x x ε-<.于是对一切,m n N >，有22m n m n x x x x x x εεε-≤-+-<+=.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()11,2,3,n nα==，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1n nλ-不是S 的上界,故存在S α'∈,使得1n nαλ'>-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1m n nλλ-<，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2n δλλ>-. 由于1n n λ-不是S 的上界，所以存在S α'∈，并且1n nαλ'>-. 于是122n n δδαλλλδ'>->--=-.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 lim02n n nn n b aa 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[](),1,2,3n 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.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 lim02n n nn n b aa 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.。
关于实数连续性的6个基本定理的互证
这就证明了 { xn } 的有界性.
记 A = x xn中大于x的有无穷项} 显然 A 为有界集合，则由确界定理知 A 有上确界 记 β = sup A . 则 ∀ε > 0，满足xn > β − ε的有无穷多项，且xn > β + ε的有有限项 所以 { xn } 中有无穷多项满足 β − ε < xn < β + ε
1
a n2 …… a nk ，满足 n1
< n2 < ......nk < ...... ，那么我们就已经得到一个单调下降
的子列 {an } . ②数列 {an } 只有有穷多项具有性质 M，那么 ∃ N ，当 n
1
N ，有 an 不具有
性质 M， 即 ∃i > n, 有an < ai ， 从中任取一项记为 an ， 因为它不具有性质 M， ∴ ∃n2 > n1 , 使an1 < an2 ，……，如此继续下去，我们得到一子列 ank 单调
n →∞
∵ {bn } 是 A 的上界，∴ ∀ x ∈ A ，有 x ≤ bn （n=1，2，……） ，
令 n → ∞ ， x ≤ lim bn = r
n →∞
∴
r 是 A 的上界.
而 ∀ε > 0, 由 lim
n→ ∞
an
= r 知 ∀ε > 0, 知∃N，当n > N，有r − ε < an，
∴ r=supA.
{ xn } 中大于 3; ε 的项只有有限个.
∴ 在（ r − ε ， r + ε ）中有 { xn } 的无穷多项，即 ∀ ε > 0 , ∀ n， ∃n > N ，使
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分析: 按二等分取闭区间, 使每个闭区间含有数集的确界. 由闭区间套定理套住的唯一点就是数集的 确界.
证明: 只证上确界的情况. 假设非空集合 A 有上界 M , 取 a1 ∈ A, b1 = M , 则 a1 ≤ b1 . 记 I1 = [a1, b1] .
令 c = a1 + b1 2
不存在有限开覆盖矛盾.
现在给出教材中给出的习题的证明.
z (4) ⇒ (2) pp.45
分析: 由有界性知数列有收敛子列, 由单调性可知数列收敛到此子列的极限.
证明: 不妨设数列{xn}单调递增. 由于{xn}有上界, 下界即为 x1 , 由 Bolzano-Weierstrass 定理, {xn}
∞
I | In |→ 0 , 称{In} 为闭区间套. 则闭区间套{In} 的交 In 必不空且为单点集. n=1
(4) Bolzano-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{xn}收敛 ⇔ {xn}是基本数列.
(6) 有限开覆盖定理(pp.308): 若开区间族{Oα } 覆盖了有界闭区间 [a, b] , 则从{Oα } 中必可挑出有限
证明: 设 In = [an , bn ], an ≤ bn , 由 In+1 ⊂ In 可知 an ≤ an+1, bn+1 ≤ bn , 由此可见 an ↑ 且 an ≤ b1 , bn ↓
且 bn
≥ a1 ,
因此 ξ
=
lim
n→∞
an
,
η
=
lim
n→∞
bn
都存在,
并且ξ 为{an}的上确界,
η 为{bn} 的下确界.
是直接利用闭区间套定理, 而是来证明 an 和 bn 收敛性即可.
证明: (5) ⇒ (1): 证明{an}, {bn} 为 Cauchy 基本数列, 得知它们都收敛.
(2) ⇒ (1): 由{an}, {bn} 为单调有界数列得知它们收敛.
(4) ⇒ (1): 由{an}, {bn} 为有界数列, 得知它们存在收敛子列, 然后再利用单调性得出它们都收敛（即利 用(4) ⇒ (2)的方法 ）.
4
Step 2. 然后把[a1, b1]二等分, 证明至少有一个子区间里具有性质 P , 记这个子区间为[a2 , b2 ] ;
Step 3. 不断重复这一步骤, 于是得到一个区间列{[an , bn ]}, 它满足条件:
(i) [an , bn ] ⊃ [an+1, bn+1], n = 1,2,L
分析: 按二等分取闭区间, 每个闭区间含有数列的无穷多项. 由闭区间套定理套住的唯一点就是某个 子列的极限.
证明: 设{xn} 是有界数列, 则存在闭区间 I1 使得 ∀xn ∈ I1 . 将 I1 等分为左右两个闭区间, 则至少有一
个半区间包含 {xn} 中的无穷多项, 取为 I2 . 同样的办法将等分后取出 I3 , …最终得到一闭区间套
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: 本文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
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.
证明: 不妨设数列{xn}单调递增. 由于{xn}有界, 由(1)知它的确界存在且有限, 设为 β .
由 上 确 界 定 义 , β 是 {xn} 的 上 界 , 即 ∀n ∈ N, xn ≤ β ; 且 ∀ε > 0 , β − ε 不 是 上 界 , 即 ∃N , 使 得
xN > β − ε .
个开区间 Oα1 , Oα2 ,L, Oαn 同样覆盖了[a, b] : [a, b] ⊂ Oα1 U Oα2 ULU Oαn .
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(6)是属于另一种类型, 它是 前 5 个定理的逆否形式.
I1 ⊃ I2 ⊃ L ⊃ In ⊃ L, | In |→ 0 , 每个 In 中包含{xn}中的无穷多项.
2
∞
I 根据闭区间套定理, 存在唯一点 In = {ξ} . 下面构造收敛到 ξ 的子列: 任取 xn1 ∈ I1 , 由于 I2 包含{xn} n=1
中的无穷多项, 故必能在 I2 取出 n1 项以后的项 n2 , 即 xn2 ∈ I2 , n2 > n1 . 类似地, ∃xn3 ∈ I3 , n3 > n2 , … 最后得到一子列{xnk } , xnk ∈ Ik , 从
因为
∞
I | In |= bn
− an
→0,
故η
=
lim
n→∞
an
+ lni→m∞(bn
− an ) = ξ
,
这说明 ξ
=η ∈In ,
从而.
至此已证明 In
n=1
非空.
∞
∞
I I 再由 In ⊂ In 及| In |→ 0 可知集合 In 至多包含一点.
n=1
n=1
z (3) ⇒ (4) pp.44
(3)
(4)
(5)
pp.308
(6)
图 1. 教材[1]中完成的基本定理之间的证明.
我们首先回顾一下教材中给出的证明过程[1].
z (1) ⇒ (2) pp.34
分析: 单调有界数列必收敛, 事实上就是收敛到其确界. 有了这个理解后, 就很容易利用确界存在定 理(1)来证明(2)了: 只要将确界找到, 证明此确界就是数列极限即可.
[β , β '] ⊂ Oα0 , 且 β '< b , 可知[a, β '] 也能被有限覆盖, 从而 β '∈ A , 这与 β = sup A 矛盾. z (5) ⇒ (1) pp.309
分析: 事实上, 由(5),(2),(4)证明(1)的思路是一样的, 类似于由(3)证(1)的方法, 构造闭区间套, 然后不
2. 闭区间套定理与其他定理互证的方法
用闭区间套定理证明问题时, 关键是要构造一个满足一定条件的区间套序列, 然后由区间套定理套出 一个公共点, 这个点往往就是满足问题要求的点. 在构造闭区间套序列时, 常采用二等分法, 其过程一般 为:
Step 1. 先考虑一个区间[a1, b1] , 使它具有某种性质 P ;
,
若 c 为 A 的上界,
则 取 a2 = a1, b2 = c ,
否 则 取 a2 = c, b2 = b1 ,
显 然 都 有 a2 ≤ b2 ,
且
A I [a2 , b2 ] ≠ φ .记 I2 = [a2 , b2 ] . 以此类推, 得到闭区间套 I1 ⊃ I2 ⊃ L ⊃ In ⊃ L, | In |→ 0 , 每个 In 与
由于{xn}单调递增, 所以 ∀n > N , β ≥ xn ≥ xN > β − ε , 即| xn − β |< ε .
由极限定义可知,
lim
n→∞
xn
=
β
2) ⇒ (3) pp.41
分析: 由于闭区间套的每个区间的左端点单调递增有上界, 右端点单调递减有下界, 即可得它们都收 敛, 然后利用闭区间套的长度趋向零证明这两个极限相等, 为所有闭区间的公共点, 并且唯一性也易得证.
1. 教材中的证明
教材[1]中完成的证明如图一所示. 另外, 教材中给出练习的有:
(4) ⇒ (2) pp.45 (3) ⇒ (1) pp.47 (1) ⇒ (6) pp.309 (6) ⇒ (1) pp.309 (5) ⇒ (1) pp.309
1
pp.34
pp.41
pp.44
pp.299
(1)
(2)
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 I1, I2 ,L In ,L 是一串有界闭区间, I1 ⊃ I2 ⊃ L ⊃ In ⊃ L, 且 In 的长度
(ii)
lni→m∞(bn
存在收敛的子列{xnk } , 设其极限为ξ . 于是 ∀ε > 0, ∃K , ∀k ≥ K ,| xnk − ξ |< ε
3
由于{xn}也是单调递增数列, ξ 必为{xnk } 的上界, 于是对上述的 ε , 当 n > nK ,