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 ,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:  是一闭区间序列. 若满足条件

>  , ;

 >   .

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:都是区间套.都不是.

定理4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。

致密性定理

定理5 任一有界数列必有收敛子列。

推论 是一个无界数列,则存在子列

Cauchy收敛原理

定理6 数列收敛  时,有

注:定理可通过数列本身来判别它收敛还是发散。

例:,证明发散。

例:,证明收敛。

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。

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。

 零点存在定理

定理3 在闭区间连续,且,则内至少有一个根。

证法一(区间套定理)

证法二(确界原理)

证法三 (用有限复盖定理)

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 (区间套定理) 

证法二 (用致密性定理)