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”:。
实数基本定理
第七章 实数基本定理［教学目标］通过教学使学生掌握反映实数连续性的六个基本定理，能准确加以表述，并深刻理解其实质意义；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的命题，从而掌握应用基本定理进行分析论证的方法，提高分析论证的能力。
［教学重难点］实数完备性基本定理的证明和应用。
［教学方法］讲授。
［教学时间］讲授8学时，习题课4学时，共计12学时。
［教学内容］实数完备性基本定理及其等价性证明，闭区间上连续函数性质及证明，*上极限与下极限。
［考核目标］ 1. 区间套、聚点、确界、覆盖、子列及一致连续等概念的理解；求点集的聚点、确界； 2. 对六个基本定理的理解和准确表述，明确其等价性； 3. 应用闭区间上连续函数的性质讨论函数的有界性、最值性、证明方程根的存在性； 4. 函数一致连续性的判别及有关问题的证明。
§ 1 实数基本定理的陈述一． 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 : 1. 区间套: 设是一闭区间序列. 若满足条件} ] , [ {n n b a ⅰ> 对n ∀, 有 , 即 ] , [11++n n b a ⊂] , [n n b a n n n n b b a a ≤<≤++11, 亦即后一个闭区间包含在前一个闭区间中 ;ⅱ> ,0→−n n a b . 即当)(∞→n ∞→n 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:, 1221b b b a a a n n ≤≤≤≤<≤≤≤≤L L L L ,0→−n n a b .)(∞→n 我们要提请大家注意的是, 这里涉及两个数列和 , 其中递增, } {n a } {n b } {n a } {n b 递减. 例如 } ] 1 , 1 [ {n n −和} ] 1 , 0 [ {n都是区间套. 但} ] 21 , ) 1 (1 [ {n n n +−+、 } ] 1 , 0 ( {n 和 } ] 11 , 1 [ {nn +−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} ] , [ {n n b a ξ,使对有n ∀∈ξ] , [n n b a .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 n nn x 9.0sin 9.09.0sin 9.09.0sin 9.02+++=L . ⑵ 12) 1 (513111−−+−+−=+n a n n L . 解 ⑴ ≤++=−+++++ | 9.0sin9.09.0sin 9.0| ||11p n p n n n n p n x x L<++≤++ 9.09.01p n n L L L +++++ 9.09.01p n n 119.0109.019.0++×=−=n n ; 对0>∀ε，为使 ε ||<−+n p n x x ，易见只要 9.0lg 10lg 1ε>+n . 于是取 .L L =N ⑵ 1)(2)1(32)1(12)1(||132−+−+++−++−=−+++++p n n n a a p n n n n p n L 1)(2)1(3211211−+−+++−+=+p n n n p L . 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 p =−+−++−+1)(21321121p n n n L 0 1)(213)(21721521321121≥⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−+++⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−++⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+p n p n n n n n L , 又=−+−++−+1)(21321121p n n n L ≤−+−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−+−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+−+=1)(213)(215)(21521321121p n p n p n n n n L 121+≤n . 当为奇数时 ,p =−+−++−+1)(21321121p n n n L 0 1)(213)(215)(21321121≥−++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−+++⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+=p n p n p n n n L , =−+−++−+1)(21321121p n n n L121 1)(213)(21521321121+≤⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−+−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+−+=n p n p n n n n L . 综上 , 对任何自然数p , 有 121 1)(2)1(32112101+≤−+−+++−+≤+n p n n n p L n1 <. …… Cauchy 列的否定:例2 ∑==n k n k x 11 . 验证数列不是Cauchy 列. }{n x 证 对, 取n ∀n p =, 有 212 12111||=>++++++=−+n n n n n n x x n p n L . 因此, 取210=ε ,…… 2. Cauchy 收敛原理:Th 4 数列收敛 } {n a ⇔ 是Cauchy 列.} {n a ( 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 )五. 致密性定理:数集的聚点(亦称为接触点):定义 设E 是无穷点集. 若在点ξ(未必属于E )的任何邻域内有E 的无穷多个点, 则称点ξ为E 的一个聚点.数集E =} 1{n有唯一聚点, 但; 开区间 的全体聚点之集是闭区间; 设Q 是中全体有理数所成之集, 易见的聚点集是闭区间.0E ∉0) 1 , 0 (] 1 , 0 [] 1 , 0 [Q ] 1 , 0 [1. 列紧性: 亦称为Weierstrass 收敛子列定理.Th 5 ( Weierstrass ) 任一有界数列必有收敛子列.2. 聚点原理 : Weierstrass 聚点原理.Th 6 每一个有界无穷点集必有聚点.六. Heine–Borel 有限复盖定理:1. 复盖: 先介绍区间族} , {Λ∈=λλI G .定义( 复盖 ) 设E 是一个数集 , G 是区间族 . 若对∋Λ∈∃∈∀ , , λE x λI x ∈,则称区间族G 复盖了E , 或称区间族G 是数集E 的一个复盖. 记为. ,Λ∈⊂λλλI E U 若每个都是开区间, 则称区间族是开区间族 . 开区间族常记为λI G } , , ) , ( { Λ∈<=λβαβαλλλλM .定义( 开复盖 ) 数集E 的一个开区间族复盖称为E 的一个开复盖, 简称为E 的一个复盖.子复盖、有限复盖、有限子复盖.例3 } ) 1 , 0 ( ), 23 , 2 ( {∈=x x x M 复盖了区间, 但不能复盖;) 1 , 0 (] 1 , 0 [} ) , ( , ) 2 , 2 ( {b a x x b x x b x H ∈−+−−=复盖, 但不能复盖. ) , [b a ] , [b a 2. Heine–Borel 有限复盖定理:Th 7 闭区间的任一开复盖必有有限子复盖.§ 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”:Th 2 单调有界数列必收敛 .2. 用“单调有界原理”证明“区间套定理”:Th 3 设是一闭区间套. 则存在唯一的点} ] , [ {n n b a ξ,使对有n ∀∈ξ] , [n n b a .证系1 若∈ξ] , [n n b a 是区间套确定的公共点, 则对} ] , [ {n n b a 0>∀ε, ,N ∃当时, 总有N n >] , [n n b a ) , (εξU ⊂.系2 若∈ξ] , [n n b a 是区间套确定的公共点, 则有} ] , [ {n n b a n a ↗ξ, ↘n b ξ, .) (∞→n 3. 用“区间套定理”证明“Cauchy 收敛准则”:Th 4 数列收敛 } {n a ⇔ 是Cauchy 列.} {n a 引理 Cauchy 列是有界列. ( 证 )4． 用“Cauchy 收敛准则” 证明“确界原理” ：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 .证 （只证“非空有上界数集必有上确界”）设E 为非空有上界数集 . 当E 为有 限集时 , 显然有上确界 .下设E 为无限集, 取不是1a E 的上界, 为1b E 的上界. 对分区间, 取, 使不是] , [11b a ] , [22b a 2a E 的上界, 为2b E 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↘} ] , [ {n n b a } {n b } {n b } {n a n b n b β.有↗ n a β.下证β=E sup .用反证法验证β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”:Th 5 ( Weierstrass ) 任一有界数列必有收敛子列.证 （ 突出子列抽取技巧 ）Th 6 每一个有界无穷点集必有聚点.证 （ 用对分法 ）2．用“致密性定理” 证明“Cauchy 收敛准则” ：Th 4 数列收敛 } {n a ⇔ 是Cauchy 列.} {n a 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.→→} {n a 三. “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”:§ 3 闭区间上连续函数性质的证明一. 有界性:命题1 ] , [)(b a C x f ∈, ⇒ 在上] , [b a )(x f =) 1 (O .证法 一 ( 用区间套定理 ). 反证法.证法 二 ( 用列紧性 ). 反证法.证法 三 ( 用有限复盖定理 ).二. 最值性:命题2 ] , [)(b a C x f ∈, ⇒ 在上取得最大值和最小值. )(x f ] , [b a ( 只证取得最大值 )证 ( 用确界原理 ).三. 介值性: 证明与其等价的“零点定理 ”.命题3 ( 零点定理 )证法 一 ( 用区间套定理 ) .证法 二 ( 用确界原理 ). 不妨设 ,0)(>a f 0)(<b f .令, 则} ] , [ , 0)( | {b a x x f x E ∈>=E 非空有界, ⇒E 有上确界. 设E sup =ξ,有∈ξ] , [b a . 现证 0)(=ξf , ( 为此证明)(ξf 0≥且)(ξf 0≤ ). 取>n x ξ 且n x ) ( ,∞→→n ξ.由在点)(x f ξ连续和0)(≤n x f , ⇒0)(lim )(≤=∞→n n x f f ξ, ⇒ξE ∉. 于是) ( , ∞→→∋∈∃n t E t n n ξ. 由在点)(x f ξ连续和,0)(>n t f ⇒ 0)(lim )(≥=∞→n n t f f ξ. 因此只能有0)(=ξf . 证法 三 ( 用有限复盖定理 ).四. 一致连续性:命题4 ( Cantor 定理 )证法 一 ( 用区间套定理 ) .证法 二 ( 用列紧性 ).§4. 上极限和下极限一、上（下）极限的定义对于数列，我们最关心的是其收敛性；如果不收敛，我们希望它有收敛的子列，这个愿望往往可以实现。
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 =
第十讲实数连续性定理等价性的两种证明方法
★★★★★第十讲实数连续性定理等价性的两种证明方法实数集的连续性是实数集有别于有理数集的重要特征。
极限理论建立在实数集上，极限理论就有了巩固的基础。
（1）单调有界定理、（2）闭区间套定理、（3）确界定理、（4）有限覆盖定理、（5）聚点定理、（6）致密性定理及（7）柯西收敛准则的充分条件，虽然它们的数学形式不同，但是它们都描述了实数集的连续性。
它们是互相等价的。
即任意一个定理都是其它定理的必要充分条件。
文[1]把单调有界定理作为公理，从这条公理出发，证明其它几个定理。
证明过程如下：（1）单调有界定理⇒（2）闭区间套定理⇒（3）确界定理；（2）闭区间套定理⇒（4）有限覆盖定理⇒（5）聚点定理⇒（6）致密性定理⇒（7）柯西收敛准则的充分条件。
这种证明过程，还未证完这七个定理的等价性。
现给出上述七个定理互相等价的两种证明方法。
第一种方法证明过程（1）⇒（2）⇒（3）⇒（4）⇒（5）⇒（6）⇒（7）⇒（1）。
文[1]已证明（1）⇒（2）⇒（3）和（4）⇒（5）⇒（6）⇒（7）。
现只需再证明（3）⇒（4）和（7）⇒（1）。
（3）⇒（4）用确界定理证明有限覆盖定理。
有限覆盖定理：若开区间集S 覆盖了闭区间[b a ,]，则S 中存在有限个开区间也覆盖了闭区间[b a ,]。
证明： 构造集合E={],[],,[x a b a x x ∈能被S 中有限个开区间覆盖}。
则E 非空。
事实上，因为S 覆盖了闭区间[b a ,]，那么[}{],a a a =，必存在S 的一个开区间覆盖了它。
所以∈a E 。
又因为b x E x ≤∈∀,，所以E 有上界。
由确界定理，E 有上确界。
设0sup x E =则],[0b a x ∈，从而，S 中必有一个开区间),,(βα使),(0βα∈x 。
由上确界定义，存在E x x ⋂∈],(01α。
因为],[1x a 为S 的有限覆盖，添加),(βα后，],[0x a 也是S 的有限覆盖，故∈0x E 。
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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实数基本定理的等价性证明
Ｊ １２ ０ ｕ． Ｏ１
实数基本定理 的等价性证 明
包 丙 寅
（ 内蒙古师范大学 数 学科学学院 内蒙古 呼和浩特 ００ １） １００
摘 要 ：实数基本定理 的 内容及其等价性证 明是数 学分析课 程 中的难 点和重点． 本文全方 面的给 出了确界原理、 单调有
界 原理 、 区间套定理、 有限覆盖定理 、 致密性定理 、 西收敛原理这六个实数基本定理的等价性证 明． 柯
第２ ６卷 第 ７期
２１ ０ ０年 ７月
赤 峰 学 院 学 报 （自然 科 学 版 ）
Ｊｕｎｌｆ ｈ ｅｇ ｎ ｅｓｙ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅ ｄ ｉ ） ｏｒａ ｉｎ ｉ ｒｔ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｉｏ ｏＣ ｆ Ｕ ｖ ｉ ｕ ｅ Ｅ ｔｎ
Ｖ０． ６ Ｎ ． １２ ｏ７
ｎ— 蕾
（ Ｂ ∈｛ ） ，） △所覆盖． 与 ，ｎ ｂ】 的本性矛盾． １ 利用区间套定理证明致密性定理 ． ２ 证【： ｙ】 ｌ 设｛ 为有界数列 ， １ 】 ｎ 即 ａｂ使 ａ ． 分区间 ｔ ， ≤ｙ≤ｂ 等 ［， 为两个 区间 ， ａ］ ｂ 则至少有一个 区间含有｛ ｙ 中的无穷个数 ． Ｊ
１１ 利用 区间套定理证明有限覆 盖定理 ． 证【 假设某一闭区间［ｂ的某个开覆盖（ ） １ ： ａ】 ， △ 无有限子覆
盖 ， ， Ｚ等分 ， 将ｂｂ ｌ 则至少有 一“ 区间” 它不能用 ｛｝ 半 ， △ 的有
限子集覆盖 ，将 此半 区间记为 【ｉ 如果两个半区问都如 ａｂ （ ，】
（ ）致密性定理 ） ４（ 有界序列必有收敛 的子序列．
限进行下去 ， 便得一区间套｛ ｝ ， 、 ｂ ａ ． （ 一 ， ： ａ ｂ ，广 ｎｊ ｂ ｎ Ｉ ＝Ｉ ＿
数学分析第四讲 实数系的6个定理的等价证明
(1) [ak1, bk1] [ak , bk ], k 1, 2,
(2)
lim
k
|
bk
ak
|
0
(3){[ak , bk ]}中每个区间都含有E的无穷多个点
由闭区间套定理存在唯一 [ak , bk ].
k 1
实数的连续不完备性讨论
根据
lim
n
an
lim
n
bn
,得到
0, N1 N * ,k N1 : ak
N2 N * ,k
N2
:
bk
0, N1 N * ,k N1 : ak +
N2 N * ,k N2 :
单调有 界定理
确界 定理
闭区间 套定理
柯西 收敛定理
列紧性 定理
有限覆 盖定理
聚点 定理
实数的连续不完备性讨论
定理：用闭区间套定理证明柯西收敛定理
证明充分性： 0, k N * ,n, m k : xm xn . 0, N k 1,m N : xm xN xN xm xN
用数列极限观点分析
实数集=有理数集+无理数集 有理数集在实数集稠密 无理数集在实数集稠密
著名数学家希尔伯特说:“无穷是人类最伟大的朋友，也是人类心 灵最宁静的敌人”说明极限是数学最重要的概念.
希尔伯特（David Hilbert, 1862－1943）德国数学家, 19世 纪和20世纪初最具影响力的数学家之一. 1900年在巴黎第二界国际 数学家大会上提出的23个数学问题(称希尔伯特问题)，激发了整个 数学界的想象力. 现在这些问题约有一半已得到囿满解决. 其中第八 个问题,就是广为人知的“哥德巴赫猜想”他的杰出工作在整个数学 版图上留下了巨大显赫的名字：希尔伯特空间，希尔伯特丌等式， 希尔伯特算子，被尊为数学世界的亚历山大.
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。
实数基本定理的互证
实数基本定理的互证有关实数系一些基本等价性质的互证柯华忠中山大学应用数学04级实数系的七个基本性质的互相推证似乎不易掌握（要证次），但细细分析证明的思路，可发现一些共同的模式。
但凡事有了套路都容易使人的思维产生惯性，十分不利于多角度、多侧面地认识客体。
为此，本文在叙述笔者总结的模式以外，还提供几个不在模式内的证明。
I;三种模式(i)“切”所谓“切”，是指运用Dedekind分割的思路，根据实数连续性得到一个特殊的临界点。
此思路最典型的运用非实数基本定理莫属。
但考虑到实数基本定理中构造上类（或下类）往往循以下形式：B={x | x是满足性质P的数集的上界}（或A={x | x是满足性质P的数集的下界}），于是A|B所确定的唯一实数r是B的下确界（同时也是A的上确界），所以可运用实数基本定理的地方均可用确界定理处理。
考虑到用确界定理叙述起来较方便，以下证明均采用确界定理。
单调有界定理和区间套定理：分别见课本P295-296 及P297 。
由此二处证明可见，证明的关键是存在性，而点的唯一性是由被证明定理本身的条件所保证的。
这是一种一般性现象。
除Borel有限覆盖定理外，其余六条基本性质均断言某种特殊点的“唯一存在”性质：这在实数基本定理是上类的最小值点或下类的最大值点，在确界定理是确界点，在单调有界定理是极限点，在区间套定理是公共点，在致密性定理是某子列的收敛点，在Cauchy收敛准则是极限点。
对这些定理的证明的关键是推出上述特殊点的存在性，而唯一性总可由定理本身的约束条件得到。
这从一个侧面反映了这些实数基本性质不外是对实数这一对象的不同角度的描述而已。
Borel定理设是的一个覆盖。
设B=x |有E的有限子覆盖。
由于Ea s.t. Ea，故在a右侧有B中元素，即B非空。
设=supB, 下证 b不成立。
否则 0, 0，s.t. -+。
不妨设=-,, 则。
由B的构造知有E的有限子覆盖，则构成了上的一个有限覆盖，这与矛盾。
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。
实数完备性定理的等价性证明及其应用
实数完备性定理的等价性证明及其应用实数理论是数学分析的基础理论之一，微分学、积分学理论的建立与发展都以实数理论为基础． 在实数系内，作为公理，确界原理成立．确界原理描述了实数集的连续性，单调有界定理、区间套定理、有限覆盖定理、聚点定理、柯西收敛准则，与确界原理之间是等价的．六个定理在数学形式上不同，但是它们都是描述了实数集的连续性．它们之间的等价性称为实数完备性定理的等价性．本文给出实数完备性6个定理的另一种循环证明及部分应用．为学生学习这部分内容提供帮助．1 预备知识实数完备性其本定理定理1(确界原理)[1](7)P 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2(柯西收敛准则)[1](38)P 数列{}n a 收敛的充要条件是:对任给的0ε>，存在正整数N ，使得当,n m N >时有||n m a a ε-<．定理3(单调有界定理)[1](35)P 在实数系中，有界的单调数列必有极限．定理4(有限覆盖定理)[1](165)P 设H 为闭区间[,]a b 的一个(无限)开覆盖，则从H 中可选出有限个开区间来覆盖[,]a b ．定理5(聚点定理)[1](164)P 实轴上的任何有界无限点集S 至少有一个聚点．定理6(区间套定理)[1](161)P 若{[,]}n n a b 是一个区间套，则在实数系中存在唯一的一点ξ，使得[,],1,2,n n a b n ξ∈=L 即,1,2,n n a b n ξ≤≤=L ．2 实数完备性定理的等价性证明2.1 用确界定理证明柯西收敛准则证明 设{}n a 是柯西数列，即0ε∀>，∃正整数N ，,n m N ∀>，有||n m a a ε-<．取1m N =+，1ε=，因此11||||||1n N n N a a a a ++-≤-<，故而1||||1n N a a +<+．设121max{||,||,,||,||1}N N M a a a a +=+L 可见||n a M <，即{}n a 必有界，由确界定理知inf{}n a 存在，记为a ．1）若min{}n a a ≠，则0ε∀>，N ∃，使N a a a ε<<+．设12k ε=，存在k N n =(1k k n n ->)使12kn ka a a <<+．令k →∞，得k n a a →． 所以对于0ε∀>，K ∃，当k K >时有k n a a ε-<．取1max{,}N N K =，当1,k n N >时2k n n n n n a a a a a a ε-≤-+-<，所以lim n n a a →∞=．２）若min{}n a a =，作集合{|{},}n P x a x M x M =-<<中有有限项小于，P 显然为非空有界集合，故sup P 存在，记为sup b P =．由P 的性质，0ε∀>，必然有b P ε+∉，所以{}n a 中有无限项小于b ε+．,N ε∀∃，使n b a b ε-<<．设12k ε=，存在k N n =(1k k n n ->)使12k n k b a b -<<．令k →∞，得k n a b →．所以对于0ε∀>，K ∃，当k K >时有k n a b ε-<． 取1max{,}N N K =，{}n a 是柯西数列，当1,k n N >时，便有||||||2k n n n n n a b a a a b ε-≤-+-<，所以lim n n a b →∞=．2.2 用柯西收敛准则证明单调有界定理证明 设{}n a 递增且有上界M 的数列．若{}n a 不收敛，必为非柯西收敛数列，即0ε∃>，N ∀，n N ∃>，所以n N a a ε-≥．取11=N ，必11N n >∃使ε≥-11a a n 即ε+≥11a a n ． 取12n N =，必22N n >∃使21n n a a ε-≥即21n n a a ε≥+．L L L如此继续下去，一般地取1k k N n -=，必k k n N ∃>使1k k n n a a ε--≥．把上述不等式相加得1k n a a k ε-≥即1k n a k a ε≥+．当1M a k ε->时，可使k n a M >．这与M是{}n a 的上界矛盾，所以{}n a 收敛．2.3 用单调有界定理证明有限覆盖定理 证明 设H 是闭区间[,]a b 的一个开覆盖．若H 不存在[,]a b 的有限开覆盖，把[,]a b 一分为二，至少有一个闭区间不能被H 有限开覆盖（若否则[,]a b 能被H 有限开覆盖，矛盾）取出记为11[,]a b ，满足11[,][,]a b a b ⊂且111()2b a b a -=-，把11[,]a b 一分为二，至少有一个闭区间不能被H 有限开覆盖取出记为22[,]a b ，满足2211[,][,][,]a b a b a b ⊂⊂且2211211()()22b a b a b a -=-=-，如此继续下去得到闭区间列{[,]}n n a b 满足下面两条：（1）11[,][,]n n n n a b a b --⊂且1()2n n n b a b a -=-（1,2,n =L ）（2）每个闭区间[,]n n a b 都不能被H 有限覆盖．因为{}n a 递增且有上界，由单调有界定理可知，ξ∃ ，使lim n n a ξ→∞=，又因为0n n b a -→(n →∞)于是lim lim()lim n n n n n n n b b a a ξ→∞→∞→∞=-+=，即lim lim n n n n a b ξ→∞→∞==．0ε∀>，,N n N ∃∀>，使得n a ξεξε-<<+，n b ξεξε-<<+，从而[,](,)n n a b ξεξε⊂-+即开区间(,)ξεξε-+覆盖了闭区间[,]n n a b ，这与[,]n n a b 的作法矛盾，于是有限覆盖定理成立．2.4 用有限覆盖定理证明聚点定理证明 设{}S x =是有界无限点集，必存在a 、b 使a x b <<．若S 不存在聚点，则在闭区间[,]a b 中任一点x 都不会是S 的聚点，从而x 的x δ邻域(,)x U x δ至多只含S 的有限个点，让x 取遍[,]a b ，使得开覆盖{(,)|[,]}x U x x a b H δ∈=．由有限覆盖定理知H 必存在有限子覆盖~12{,,,}[,]k H U U U a b S =⊃⊃L ．因为每个(1,2,)i U i k =L 只含S 的有限个点，~H 只含S 的有限个点，这与~H S ⊃且S 是无限集矛盾，所以S 至少有一个聚点．2.5 用聚点定理证明区间套定理证明 设{[,]}n n a b 是一个闭区间列，121n n a a a b b ≤≤≤≤≤≤L L L ．因为数列{}n a 有界 ，记有界无限点集{|}n E a n N +=∈，根据聚点定理，E 至少有一个聚点ξ．根据聚点定义，取1ε=，1(,1)n a U ξ∃∈． 取12ε=，21(,)2n a U ξ∈，要求12n n <． L L取1k ε=，1(,)k n a U k ξ∈，要求1k k n n -<． L L如此无限继续下去，构造了数列{}n a 的子数列{}k n a ．因为k N +∀∈，有1k n a kξ-<．当k →∞时，有10k→，所以lim k n k a ξ→∞=，即子列{}k n a 收敛于ξ．又因为{}n a 单调递增，必然有1k k n n n a a a +≤≤．当k →∞时，n →∞．由迫敛性可以知道lim n n a ξ→∞=．又由于()n n n n b b a a =-+，n →∞，所以lim n n b ξ→∞=．又因为n k >时，有k n n k a a b b ≤≤≤，及{}n a 与{}n b 的单调性保证[,],1,2,n n a b n ξ∈=L ，即,1,2,n n a b n ξ≤≤=L ．最后证明ξ是唯一的．设'ξ也满足',1,2,n n a b n ξ≤≤=L ，则'||,1,2,n n b a n ξξ-≤-=L ．由区间套的条件得'||lim()0n n n b a ξξ→∞-≤-=，故有'ξξ=．2.6 用区间套定理证明确界定理证明 设M 为集合S 的上界，即x S ∀∈，有x M ≤．假设S 无最大值，即M S ∉，对于0x S ∀∈，将0[,]x M 二等分，若右半区间含有S 中的点，则右半区间记为11[,]a b ，否则就记左半区间为11[,]a b ．将11[,]a b 再二等分，用同样的方法选作22[,]a b ．如此继续下去，便得到闭区间套{[,]}n n a b ，使得n b 总是S 的上界，n a 总不是S 的上界．na 为单调递增的，nb 为单调递减的，当n →∞时，01()02n n nb a M x -=-→．根据区间套定理，可知存在唯一公共点[,],1,2,n n a b n ξ∈=L ．于是有lim lim n n n n a b ξ→∞→∞==．因为n b 总是S 的上界，即x S ∀∈，有n x b ≤．令n →∞时，得x ξ≤．又由于lim n n a ξ→∞=，即0,,,N n N ε>∃∀>有n a ξεξε-<<+．而n a 总不是S 的上界，于是一定存在1x S ∈使1n a x <，从而1x ξε-<，于是得sup S ξ=．同理可以证若S 为非空下界数集，则S 必存在下确界．3 实数完备性定理的应用区间套定理只是着眼于一点，凡属于整体到局部的问题常用此定理，但应用此定理时常常采用反证法．有限覆盖定理着眼于闭区间的整体，把每点近旁的局部性质推广到整个闭区间，从而证得闭区间上应满足的性质．例1 若函数()f x 定义在区间(,)a b 内，(,)x a b ∀∈，存在邻域(,)x x x x δδ-+使()f x 在(,)x x x x δδ-+内单调增加，则函数()f x 在(,)a b 内也单调增加．证法一（反证法，用区间套定理） 假设函数()f x 在(,)a b 内不是单调增加的，即11,(,)x y a b ∃∈，且11x y <，有11()()f x f y >．将11[,]x y 二等分，分别为111[,]2x y x +与111[,]2x yy +． 当111()()2x y f x f +>时，令11122[,][,]2x yx x y +=有22()()f x f y >，或者111()()2x y f f y +>时令11122[,][,]2x yy x y +=有22()()f x f y >．再将22[,]x y 二等分，记为222[,]2x y x +与222[,]2x y y +．当222()()2x y f x f +>时，令22233[,][,]2x y x x y +=有33()()f x f y >，或者222()()2x y f f y +>时令22233[,][,]2x y y x y +=有33()()f x f y >．如此继续下去，得闭区间列{[,]}n n x y 且1122[,][,][,]n n x y x y x y ⊃⊃⊃⊃L L ;111lim()lim02n n n n n y x y x -→∞→∞--==，且()(),1,2,n n f x f y n >=L ． 根据区间套定理，存在(,)a b α∈，使[,],1,2,n n x y n α∈=L ．已知存在邻域(,)αααδαδ-+，函数()f x 在(,)αααδαδ-+内单调增加．当0n 充分大时．有00[,](,)n n x y αααδαδ⊂-+而00()()n n f x f y >．这与函数()f x 在(,)αααδαδ-+内单调递增矛盾．于是()f x 在(,)a b 内必是单调递增．证法二（用有限覆盖定理） ,(,)c d a b ∀∈，c d <，求证()()f c f d <．[,]x c d ∀∈存在x 的邻域(,)(,)x x x U x x x δδδ=-+，使()f x 在(,)x U x δ内单调增加，所有(,)x U x δ，[,]x c d ∀∈覆盖了闭区间[,]c d ．由有限覆盖定理，在这些邻域内可取有限个邻域1212(,),(,),,(,)n x x n x U x U x U x δδδL 且（12n x x x <<<L ）覆盖[,]c d 且去掉任一个都不能覆盖[,]c d ．()f x 在每个邻域(,)i i x U x δ（1,2,,i n =L ）内单调增加．取11(,)(,)i i i i x i x y U x U x δδ++∈⋂．由(,)i i x U x δ的定义知1122()()()()()()()n f c f x f y f x f y f x f d <<<<<<<L ，由,c d 的任意性知函数()f x 在(,)a b 内也单调增加．例2 设f 是n 维欧氏空间中连通区域D 内定义的函数，对于D 内每一点，都有一个邻域，使得f 在该邻域内等于常数，证明f 在D 内等于常数．[2](116)P证明 设1x 与2x 是D 内任意两点，因为D 是n 维欧氏空间中连通区域，因此有在D 连接1x 与2x的折线L ．可以证明组成折线L 的每一条线段的两个端点处的函数值相等，因此可知12()()f x f x =．设这两个端点是1x 与2x ，连接1x 与2x 的线段L 为D 的闭集，L 上的每一点x 都有一个属于D 的邻域(,)x U x δ，在该邻域内f 等于常数，所有的(,)2xU x δ，x L ∈覆盖了闭集L ，由有限覆盖定理，在这些开邻域内可取有限个开邻域1212(,),(,),,(,)222nxxxn U x U x U x δδδL 覆盖L ．f 在每一个邻域(,)2ixi U x δ(1,2,,i n =L )内等于常数．取12min{,,,}222nxx xδδδδ=L ．把L 等分m 份，使每一小段的长度小于δ，分点为1122,,,m x a a a x ==L ，由于1121,(,)2xx a U x δ∈，所以12()()f x f a =，又由2a L ∈则存在一个i ，1i n ≤≤，使2(,)2ixi a U x δ∈且有3(,)2ixi a U x δ∈，于是23()()f a f a =．如此继续下去可得，1232()()()()()m f x f a f a f a f x =====L ，即f 在D 内等于常数． 例3 举例说明有限覆盖定理的结论在有理数集Q 中不成立．[3](38)P解 闭区间[1,2]中所有有理数的集合记为[1,2]r ．需要构造[1,2]r 的一个开覆盖，使它的任何有限覆盖都不能盖住[1,2]r ．[1,2]r x ∀∈，可取到正有理数x r (,)x x x r x r -+，这样就得到了[1,2]r 的一个开覆盖{}O α．任意的取{}O α的一个有限开覆盖，设为1111(,),,(,)n n x x n x n x x r x r x r x r -+-+L ．由于这些，且其2n 个端点都是有理数．故若设这2n 最靠近的为r ，则在rn 个开区间外．这表明{}O α的任一有限开覆盖都不能盖住[1,2]r ．例4 设函数f 在(,)-∞+∞上满足李普希兹条件:12,(,)x x ∀∈-∞+∞，1212()()f x f x L x x -≤-，其中01L <<，求证:存在唯一的0(,)x ∈-∞+∞，使00()f x x =(这种0x 称为f 的不动点)．[4](101)P证明 1(,)x ∀∈-∞+∞，按照1()n n x f x -=(1,2,n =L )构造的数列{}n x 满足柯西收敛准则的条件．由条件知:111()()n n n n n n x x f x f x L x x +---=-≤- 211221n n n L x x L x x ---≤-≤≤-L (1,2,n =L )又m n ∀>231112121()m m n m n m m m m n n x x x x x x x x x x L L L ------+-≤-+-++-≤-+++L L1211n L x x L-≤--．而1lim 0n n L-→∞=故{}n x 满足满足柯西收敛准则的条件．因而收敛，设0lim n n x x →∞=，再由1()n n x f x -=及f 在点0x 连续得: 00()f x x =．最后证唯一性．反证法，若10x x ≠也是f 的不动点， 则101010100()()x x f x f x L x x x x <-=-≤-<- 矛盾．。
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。
实数系的基本定理
a1
an1 an bn bn1
b1 。
显然 an 单调增加而有上界 b1 ， bn 单调减少而有下界 a1 ，由定理 2.4.1， an 与 bn 都收敛。 设 lim an ，则
n
lim bn lim bn an an lim bn an lim an 。
实数系的基本定理
确界存在定理
Cauchy收敛原理
单调有界数列收敛 定理
Bolzano—Weierstrass 定理 闭区间套定理
定理 2.1.1 （确界存在定理——实数系连续性定理） 非空有上界的 数集必有上确界；非空有下界的数集必有下确界。 证：
x R ，都可以表示成 x x x 1。
n, m N ：
xn a
于是
2
， xm a
2
，
xm xn xm a xn a 。
再证明充分性。 先证明基本数列必定有界， 取 0 1， 因为 xn 是基本数列， 所以 N 0 ，
n N0 ：
令 M max x1 , x2 ,
由此得到一个闭区间套 an , bn ，满足
an T , bn T ， n 1, 2,3,
。
由闭区间套定理，存在唯一的实数 属于所有的闭区间 an , bn ，且
lim bn lim an 。现在说明 是集合 T 的最小数，也就是集合 S 的
n n
an bn ， n 1,2,3,
令 n ，由极限的夹逼性得到
，
lim bn lim an ，
n n
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。
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实数系基本定理等价性的完全互证
作者：刘利刚， LIU Li-gang
作者单位：浙江大学数学系,浙江,杭州,310027
刊名：
数学的实践与认识
英文刊名：MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY
年，卷(期)：2008,38(24)
1.欧阳光中;姚允龙;周渊数学分析 2003
2.华东师范大学数学系数学分析 1980
3.王向东;高成修;安枫灵数学分析的概念与方法 1988
1.田立平.李洪齐.TIAN Li-ping.LI Hong-qi实数系基本定理的等价性[期刊论文]-河北理工学院学报2004,26(4)
2.李静实数基本定理的等价性探讨[期刊论文]-科技创新导报2011(2)
3.邓卫兵.Deng Weibing五大实数基本定理的一种证明方法及应用[期刊论文]-广东轻工职业技术学院学报2005,4(1)
4.彭培让致密性定理证明其它实数连续性基本定理[期刊论文]-河南教育学院学报（自然科学版）2009,18(3)
5.任晓实数连续性定理及其它[期刊论文]-西昌师范高等专科学校学报2001,13(3)
6.陈芝辉.Chen Zhihui实数连续性九个定理等价的证明[期刊论文]-南宁师范高等专科学校学报2007,24(2)
7.米吉提·依明实数连续性基本定理的等价性[期刊论文]-新疆广播电视大学学报2009,13(2)
8.包丙寅实数基本定理的等价性证明[期刊论文]-赤峰学院学报（自然科学版）2010,26(7)
9.张坤用闭区间套定理证明实数系连续性的其他等价定理[期刊论文]-理科爱好者（教育教学版）2010,02(2)
10.杨彩琴.YANG CAI-qin关于实数的几个基本定理等价的一种证明方法[期刊论文]-内蒙古农业大学学报（自然科学版）2006,27(3)
引用本文格式：刘利刚.LIU Li-gang实数系基本定理等价性的完全互证[期刊论文]-数学的实践与认识 2008(24)。