第四章 实数的连续性

1. 第四章 实数的连续性 掌握描述实数连续性的六个定理:闭区间套定理,确界定理,有限覆盖定理,聚点原理,致密性定理,(anchy准则)解一致连续的概念,掌握闭区间上连续函数性质的证明.掌握上下确界的概念. 难点: 六个定理及其证明; 重点:六个定理及上、下确界的概念; 课时：10学时.

2. 前面我们介绍数极限,函数极限,函数的连续性,这节课将讨论实数的连续性的理论问题.我们知道极限的理论问题.首先涉及到的是极限的存在问题一个数列是否存在极限,不仅与数本身的结构有关,而且也与数列所在的数集有关. 如果在有理数Q讨论极限.那么,单调有界的有界的有理数列就能不存在极限.因为它的极限(无理数)不属于有理数集.从运算来说,有理数集关于极限运算不封闭,即有理数列的极限不一定还是有理数,如果在实数集上讨论极限,情况就不同.这时,任何单调有界的实数列都存在极限.即§2.2公理.从运算来说.实数集关于极限运算是封闭的,这个性质就是实数集的连续性.实数集的连续性是实数集有别于有理数数集的重要特征.是实数集的优点.因此,将极限理论建立在实数集之上,是实数集的优点.本章是在§2.2公理的基础上,证明与公理等的其它几个关于实数集连续性的定理.

3. §4.1 实数连续性定理 一、闭区间套定理 定理 1. (闭区间套定理) 没有闭区间列 1) 2) 则存在唯一数属于所有的闭区间(即 ),且: 从图上看,有一列闭线段(两个端点也属于此线段).后者被包含在前者之 中,并且这些闭线段的长构成的数列以O为极限.则这一闭线段存在唯一 一个公共点.

4. 证明: 由条件(1)数列 单调增加有上界b1 数列{bn}单调减少,有下界a1即 根据公理.数列{an}收敛.设 由条件(2)有; 于是: 对任意取定的 由条件(2),有即是唯一的. 注: 一般来说,将闭区间列换成开区间列,区间套定理不一定成立.

5. 例如: 开区间列 显然满足两条 (1) (2) 但是,不存在数属于所有的开区间. 那么,我们在什么情况下应用闭区间套定理呢?一般来说,证明问题需要找 到具有某种性质P的一个数,常常应用闭区间套定理将这个数“套”出来. 怎 样应用闭区间套定理呢? ①首先构造一个具有性质的闭区间.性质要根据性质P来定. ②其次, 通常采用二等分法.将此闭区关二等分.至少有一个闭区间具有性质. ③继续二等分法.得到满足闭区间套定理条件的和具有性质的闭区间列.根据 闭区间套定理.就得到唯一一个具有性质P的数.

6. 二 、确界定理. 非空数集E有上界,则它有无限多个上界, 在这无界多个上界之中,有一个上界β与数 集E有一种特殊关系. 1) 2) 则称是β数集E的上确界.表为 不难看到: 1)表明是数集E的最小的上界. 类似地: 1). 2). 则称是数集的下确界.表为

7. 同样不难看到 1) 表明α是数集E的下界; 2)表明大于α的任意数α+ε都不是E的下界.即E的下确界α是数集E的最大的下界. 验证: (1) . (2). (只得 即可) 即 1） 2） 有 即：

8. 例1 inf{1,2,3,4}=1 例3：sup inf =a 事实上：1） 有 2） 有 有： 1） 有 2） 有 x>a 由上述三例可见，有限集必存在上，下确界，它的上，下确界 分别就是有限集的最大数和最小数，若无限数集存在上（下） 确界，它的上（下）确界可能属于该数集也可能不属于该数集， 无上（下）界是数集不存在上（下）确界，那么有上（下）界 的数集是否一定存在上（下）确界呢？

9. 定理2 （确界定理）若非空数集E有上界（下界），则数集E存在唯一的上确界（下确界） 分析：不妨证有上界的情形，证明存在上确界 首先要找到上确界这个数β，用什么办法找β呢？ 我们根据已知的条件构造一个闭区间套，应用区间套定理， 将β“套”出来，其次证明β就是数集E的上确界，最后证明上确界β的唯一性。 证明：已知数集E非空，设 又已知数集E有上界，设b1是E的一个上界 显然 不妨设 闭区间[a1,b1]具有如下性质： 1）[a1,b1]的右侧没有数集E的点（因为是数集E的上界） 2）[a1,b1]中至少包含有理数E的一个点（因为 ） 将具有性质1，2的闭区间称为具有 的闭区间。

10. 将闭区间[a,b]二等分，所得的两个闭区间 与 中必有一个是具有 的闭区间，事实上，已知 具有性质1，如果 中至少包含数集E的一个点，则 就是具有 不包含有数集E的点，那么 的闭区间，如果 的右侧没有数集E的点，即 具有性质1，已知 具有性质2，（因为 ）则 就是具有 的闭区间 将 与 中具有 的闭区间表为[a2,b2] 的闭区间， [a3,b3]表为 用二等分法无限进行下去，得到闭区间{[an,bn]}列且 同样方法，将闭区间[a2,b2]二等分，必有一个闭区间是具 1） 2）

11. 每个[an,bn]都是具有p的闭区间，根据闭区间套定理，存在唯一一个数属于β每个[an,bn]都是具有p的闭区间，根据闭区间套定理，存在唯一一个数属于β 所有的闭区间[an,bn]且 下面证明：数β就是数集E的上确界 1） 有 用反证法，假设 有 已知 根据保序性的推论 2： 使 即：闭区间[am,bm]右侧有数集E的数x0与[am,bm]具有性质1矛盾 2） 有 事实上，已知 根据保序性的推论2 使 即 位于闭区间 [am,bm]的左侧 由性质2，在[am,bm]中， 有

12. 于是：数集β是数集E的上确界，即 最后，证明上确界β的唯一性 用反证法，假设除β外尚有 且 不妨设 一方面，已知 即 有 另一方面， 即 有 得到矛盾，于是，上确界β唯一。 注：在什么情况下应用呢？一般来说，在一个有界数集上，要想找到与 该数集有特殊关系的数（最大的下界或最小的上界），要使用确界定理。

13. 三、有限覆盖定理 设Ι是一个区间（或开或闭）、并有开区间集S（S的元素都是开区 间、开区间的个数可有限也可无限）. Def：若 有 则称开区间集S覆盖区间I 例：①设 则开区间集S没有覆盖区间I， 不存在 使 ②设 则S覆盖区间I事实上， 只要自然数m充分大，有 即 ③设 则S覆盖了区间， I=[a，b]，事实上 S中存在一个区间 ，有

14. Th3：（有限覆盖定理） 若开区间集S覆盖闭区间[a,b]，则 S中存在有限个开区间也覆盖了闭区间[a,b] 证：用反证法，假设 S中任意有限个开区间都不能覆盖闭区间 [a,b]，简称 [a,b] 没有有限覆盖。将闭区间 [a,b]二等分，分成两个闭区间 这两个闭区间至少有一个没有有限覆盖，这是因为，如果 这两个闭区间都有有限覆盖[a,b]，则整个闭区间必有有限覆盖[a,b]，这 与没有有限覆盖矛盾。将 与 与 之中没有有限覆盖的表 [a1,b1]为（如果二者都没有有限覆盖，则任取其一）。 用同样的方法将闭区间[a1,b1]二等分。二者中至少有一个闭区间没有有限覆盖。 表为[a2,b2]。用二等分方法无限进行下去，将得到闭区间列 具有如下性质

15. 1） 2） 每个闭区间[ax,bx]都没有有限覆盖，根据闭区间套定理，存在唯一数α属于所有 闭区间。且： 显然 已知开区间S集覆盖闭区间[a,b]，从而S,中至少存在一个开 区间 或 有 根据极限保序性，由（1）式，当充分大n时，有 .一方面，闭区间[an,bn]没有有限覆盖。 另一方面，闭区间[an,bn]用S中一个开区间(ρ，q)就覆盖，产生矛盾 这个矛盾是由于最初假设闭区间[a,b]没有有限覆盖产生的。 注：有限覆盖定理亦称为紧致性定理或海涅-波莱尔定理。 在有限覆盖定理中，将被覆盖的闭区间[a,b]改为开区间(a,b)定理不一定成立。

16. 例如：开区间集 覆盖开区间 .但是, 中任意有限个开区间都 不能覆盖开区间 . 在什么情况应用有限覆盖定理呢？ 注：一般来说，如果我们已知在闭区间 每一点的某个邻域内都具有性质 ，每一点的邻域（开区间）集覆盖 为了将性质 扩充到整个闭区间 的无限多个邻域转化为有限个邻域。总之，要 想将闭区间每一点的局部性质扩充到整个闭区间，常常要用有限覆盖定理。 ,这时用有限覆盖定理能将覆盖

17. 四．聚点定理 首先给出聚点概念。 设 是数轴上的无限点集. 是数轴上的一个定点（可以属于 ，也可以属于 ）。 若 .点 的 邻域 ,都含有 的无限多个点则称 是 的一个聚点。 是 。 ①例如：设 ,显然 的一个聚点，且聚点 不属于 ②例如：设 。则闭区间 的每一个点都是 的聚点。因为有理点在数轴上是稠密的，所以 ；点 的任意 邻域 都含有开区间 的无限多个有理点。

18. ③例如：设 。则无限点集 没有聚点。 不难证明： 是 的聚点 有 （作为作业）

19. （聚点定理）、数轴上有界无限点集 至少有一个聚点。 证法：应用反证法和有限覆盖定理。 证明：已知无限点集 有界，设 和 分别是 的下界和上界。 从而，有 假设结论不成立，即闭区间 的任意一点都不是 的聚点。 因为 不是 的聚点。所以 使 中只含有 的有限多个点（也可能没有 的点）这样，构造 了开区间集

20. 显然，开区间集 覆盖闭区间 ，根据有限覆盖定理， 中存在有限个开区间，设有 个开区间（邻域） 也覆盖闭区间 。当然也覆盖无限点集 。因为每一个开区间 （邻域）只含有 的有限多个点。所以这 个开区间也只含有 的有限多个点。与 是无限点集矛盾。于是, 至少有一个聚点。

21. 习作课 1、指出下列数集的上确界与下确界（如果存在）并验证之。 ③ 解： 。 验证：① ， ②

22. ⑤ 解： 从观察中不难看到： 有 事实上，① 任意有理数 ， ② ，有理数的稠密性，存在有理数 ，有： 于是， 3、证明：若数集 有最大数 即 有 则： 证明：

23. 7、证明：若 和 是两个非零数集，且 与 有 则 证明：设 用反证法 假设： 即 有 一方面： 则 有 另一方面： 则 有 于是： 与 有 矛盾

24. 9、证明：若函数 在 连续，且 有 则 有 证明：已知函数 在 连续，根据最值性，函数 在 取到最小值，即 有： 已知 有 则 于是 有 ，

25. 3、求两条抛物线 及 在交点处的（两条切线） 交角 4、根据导数定义，求下列函数在点 的导数 （4） 5、（1）函数 在 可导，且 （2） 函数 在 可导，

26. 7、求函数在 的左、右导数 （1） （2）

27. 8、证明：若 与 都存在，则函数 在连续 错误： 与 都存在，则函数 在可导 函数 在 可导 函数在 的左、右导数都存在，且相等 即： 证明： 与 都存在则：