数学 数学分析

确界原理

利用上确界讨论实数集的聚点,证明两个互补非空子集中至少一方含有另一方的聚点。

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确界原理 #

练习

题目 #

设 AA 是 R\mathbb{R} 的一个非空子集, aa 是一个实数, 若包含 aa 的每个开区间都含有 AA 中异于 aa 的元素, 则称 aa 是 AA 的聚点.

现设 A,BA, B 均不是空集, 满足 A∪B=RA \cup B = \mathbb{R} 以及 A∩B=∅A \cap B = \varnothing.

证明: 或者 AA 含有 BB 的聚点, 或者 BB 含有 AA 的聚点.

证明

设 An=(−∞,n]∩AA_n=(-\infty,n] \cap A, Bn=(−∞,n]∩BB_n =(-\infty,n]\cap B.

由 A,BA,B 非空, 可知存在 nn, 使得 An,BnA_n,B_n 均非空.

记 a=sup⁡An,b=sup⁡Bna=\sup A_n,b=\sup B_n, 显然有 a,b⩽na,b\leqslant n.

由 A∪B=nA\cup B=n, 不妨设 n∈An\in A, 即 a=na=n.

下面考虑 bb.

  • 若 b∉Bb \notin B, 由 sup⁡\sup 的定义, bb 是 BB 的聚点, 但 b∈Ab\in A. AA 中有 BB 的聚点.
  • 若 b∈Bb \in B, 则 b<nb<n. ∃k0, s.t. k≥k0\exists k_0, \ s.t.\ k \geq k_0 有 b+1k⩽nb+\frac 1 k \leqslant n, 则 b+1k∈Ab+\frac 1 k\in A, 从而对任意包含 bb 的开区间 (x,y)(x,y), 可以找到这样一个 k=max⁡{k0,⌈1y−b⌉}k=\max\{k_0,\lceil\frac{1}{y-b}\rceil\} 使得 b+1k∈Ab+\frac 1 k\in A, 即 bb 是 AA 的聚点. BB 中有 AA 的聚点.

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