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
§1. 关于实数的基本定理
一 子列
定义1 在数列中,保持原来次序自左至右任一选区无限多项,构成新的数列,就称为的子列,记为。
子列的极限和原数列的极限的关系
定理1 若,则的任何子列都收敛,并且它的极限也等于。
注:该定理可用来判别不收敛。
例:证明 不收敛。
推论:若对任何:都有收敛,那么在的极限存在。
二 上确界和下确界
上确界的定义,下确界的定义
定理2 非空有上界数集必有上确界;非空有下界数集必有下确界。
定理3 单调有界数列必收敛.
三 区间套定理
区间套: 设是一闭区间序列. 若满足条件
ⅰ> 对, 有 ;
ⅱ> .
则称该闭区间序列为为区间套 .
注:区间套是指一个 “闭、缩、套” 区间列.
例:和都是区间套.但都不是.
定理4设是一闭区间套. 则存在唯一的点属于所有的区间。
注:区间套中的任何一个条件去掉,定理一般将不成立。
四 致密性定理
定理5 任一有界数列必有收敛子列。
推论 若是一个无界数列,则存在子列。
五 Cauchy收敛原理
定理6 数列收敛 当时,有。
注:定理可通过数列本身来判别它收敛还是发散。
例:设,证明发散。
例:设,证明收敛。
六 有限覆盖定理
复盖: 先介绍区间族.
定义 (复盖 ):设是一个数集,是区间族.若对使得, 则称区间族复盖了, 或称区间族是数集的一个复盖. 记为若每个都是开区间,则称区间族是开区间族.开区间族常记为.
定义 (开复盖 ):数集的一个开区间族复盖称为的一个开复盖,简称为的一个复盖.
子复盖、有限复盖、有限子复盖.
例:复盖了区间, 但不能复盖。
定理7 闭区间的任一开复盖必有有限子复盖。
注:在定理的条件中,若不是开区间集,或为非闭区间,则从中就不一定能选出有限个区间来覆盖。
2 闭区间上连续函数性质的证明
一 有界性定理
定理1 闭区间上的连续函数必定有界。
注:开区间上的连续函数既可能有界,也可能无界。
二 最大值和最小值定理
定理2 闭区间上的连续函数必定有最大值和最小值。
三 零点存在定理
定理3 在闭区间连续,且,则在内至少有一个根。
证法一(用区间套定理);
证法二(用确界原理);
证法三 (用有限复盖定理)。
四 一致连续性定理
定理4 闭区间上的连续函数必定一致连续。
证法一 (用区间套定理);
证法二 (用致密性定理)。