说明:这里的答案全部是我自己写的,不保证完全正确。题目不抄了,只标题号,书没有就没办法了。题目都是选我感兴趣且会做的。
2.3.1
(i)
注意每个 bm 都是序列 an 的上界,由确界公理知 supn∈Nan存在且比每个 bm 都小。
(ii)
与(i)同理,显然
(iii)
由(i)知 ∀m∈N,supn∈Nan<bm,结合(ii),显然 supn∈Nan<infn∈Nbn
(iv)
由(iii)显然
n∈N⋂[an,bn]⊇[n∈Nsupan,n∈Ninfbn]
又
∀x<n∈Nsupan,∃m∈N,am>x,即x∈/n∈N⋂[an,bn]
以及
∀y>n∈Ninfbn,∃m∈N,bm<x
可知
n∈N⋂[an,bn]=[n∈Nsupan,n∈Ninfbn]
2.3.2
(i)
若 r∈/[k,l],则令 g=32k+l,h=3k+2l,显然 [g,h]⊂[k,l]
若 r∈[k,l],则令 g=32r+l,h=3r+2l,有 r∈/[g,h]⊂[k,l]
(ii)
与(i)相同的构造方式,易得。
(iii)
与(i)相同,只要令
{cn+1=32cn+dn,dn+1=3cn+2dncn+1=32an+1+dn,dn+1=3an+1+2dnan+1∈/[cn,dn]an+1∈[cn,dn]
(iv)
由2.3.1结论(闭区间套定理), ⋂n=1[cn,dn]=∅
由数学归纳法
∀x∈D,x∈/n=1⋂[cn,dn]
(v)
∀n∈N,[cn,dn]⊂[c,d]
归纳地,
n=1⋂[cn,dn]⊂[c,d]
故
∃x∈n=1⋂[cn,dn]⊂[c,d],x∈/D
(vi)
对于任何一个 φ:N↦R,记 an=φ(n)
由(v)中结论知,总 ∃x∈[c,d],x∈/φ(N),即 [c,d] 不可数。
2.3.3
(i)
显然 a∈K
(ii)
显然 b 是 K 的一个上界,有确界公理知 M=supK 存在。
(iii)
显然
(iv)
由确界公理以及确界的性质知
∀ε>0,(M−ε,M]∩K=∅
即存在 c∈K,c>M−ε,使 [a,c] 能被 {Iα:α∈J} 的某个有限子族覆盖
故 [a,M−ε]⊂[a,c] 能被开区间族 {Iα:α∈J} 的某个有限子族覆盖
(v)
因为开区间族 {Iα:α∈J} 覆盖了 [a,b],故 ∃α∈J,M∈Iα
又因 Iα 是开区间,故 ∃ε>0,[M−ε,M]⊂Iα
注意到(iv)中 ε 的任意性
显然 [a,M] 也能被 {Iα:α∈J} 的某个有限子族覆盖。
(vi)
假若 M<b,由于(v)中的 Iα 是开区间,故
∃0<δ<b−M,M+δ∈Iα
则 [a,M+δ] 也可被 {Iα:α∈J} 的某个有限子族覆盖,这与 M 是 K 的上确界矛盾。
(vii)
由(v)和(vi),显然。
(viii)
假若 N 有上界 M,则
[1,M]⊂x∈[1,M]⋃(x−31,x+31)
由(vii)中结论(有限覆盖定理)
[1,M] 可以被 ⋃x∈[1,M](x−31,x+31) 的某个有限子族覆盖
注意到其每个区间 (x−31,x+31) 长度为 32<1
故每个区间 (x−31,x+31) 至多只包含一个自然数
又 [1,M] 可以被 ⋃x∈[1,M](x−31,x+31) 的某个有限子族覆盖
故 [1,M] 中只包含有限个整数,这与 N 是无限集矛盾,故 N 无上界。
(ix)
考虑如 2.3.1 的闭区间套
[a1,b1]⊃[a2,b2]⊃⋯⊃[an,bn]⊃⋯
以 U=(a1,b1+1) 为空间,显然
∀k∈N,[ak,bk]⊂U
任何一个闭区间的余集 [an,bn]C=(a1−1,an)∪(bn,b1+1) 是两个开区间之并
假若
n=1⋂∞[an,bn]=∅
则
n=1⋃∞[an,bn]C=U⊃(a1,b1)
由(vii)中结论(有限覆盖定理)
存在 ⋃n=1∞[an,bn]C 的某个有限子族可以将 [a1,b1] 覆盖
而 ⋃n=1∞[an,bn]C 的开子区间可以表示为 (a1−1,am) 或 (bk,b1+1)
考虑在某个有限子族中这些开区间里标号(m 或 k)最大的一个,其标号为 l,注意到闭区间套的性质,则 [al+1,bl+1]⊂[a1,b1] 无法被覆盖,导出矛盾,故
n=1⋂∞[an,bn]=∅
2.3.4
(i)
由 [a,b]⊂⋃j=1n(cj,dj)
必存在开区间 (k,l) 使 [a,b]⊂(k,l)=⋃j∈G(cj,dj)(其中 G⊂{1,2,…,n})
(否则 ∃x∈[a,b],x∈/⋃j=1n(cj,dj) 与题设矛盾)
由数学归纳法和开区间的简单性质易证 l−k<∑j∈G(dj−cj)
因而
b−a<l−k<j∈G∑(dj−cj)<j=1∑n(dj−cj)
(ii)
由 2.3.3(vii) 的有限覆盖定理,必存在某个有限集 F⊂J 使得 [a,b]⊂⋃α∈FIα
又由(i),即有
b−a<α∈F∑∣Iα∣≤有限集F⊂Jsupα∈F∑∣Iα∣
(iii)
任意给定 ε>0,记 D={a1,a2,…,an,…},并取 In=(an−2−n−2ε,an+2−n−2ε)
显然 D=⋃n=1∞In,且 ∑n=1∞∣In∣=2ε<ε。
(iv)
假若 [a,b] 是可数集,由(ii)知 [a,b] 必定能被某个开区间族 {Iα:α∈J} 覆盖,且
b−a<有限集F⊂Jsupα∈F∑∣Iα∣
取开区间族 {Iα:α∈J} 中蕴含了 {Ii:i∈F} 的某个可数子族 {In:n∈E},显然
n∈E∑∣In∣>有限集F⊂Jsupα∈F∑∣Iα∣
又由(iii),取 ε=2b−a,则有
b−a<有限集F⊂Jsupα∈F∑∣Iα∣<n∈E∑∣In∣<2b−a
导出矛盾,故 [a,b] 是不可数集。
2.3.5
(i)
将 S 中的点按大小排序 a0<a1<⋯<an
显然只要某个 Iα⊂[x,y],就有 S∩[x,y]=∅
假设有某个 ai∈[x,y],由 λ 的选取,必有 ai−1<x,ai+1>y
故 [x,y] 中最多含有 S 的一个点。
(ii)
x∈Iα=(kα,lα)
显然 y 只可能满足 kα<x<y<lα 或者 y≥lα 其中之一,
而后者显然使 lα∈[x,y],与题设矛盾,故 y∈(kα,lα)
(iii)
[x,y]∩S={h}
以 h 为端点的开区间不会盖住 h
对于任何一个盖住 h 的开区间 Iβ=(kβ,lβ),必有 [x,y]⊂Iβ,
否则 [x,y]∩S={h,kβ}⊻[x,y]∩S={h,lβ} 为真,与(i)中结论矛盾,故 [x,y]⊂Iβ
(iv)
由(i)的结论和(ii),(iii)的讨论,综述易得。
2.3.6
由 2.3.3(vii) 的有限覆盖定理
∃有限集F⊂J,[a,b]⊂α∈F⋃Iα
又由 2.3.5(iv) 的结论,综述易得。
2.3.7
(i)
必要性显然;
充分性:
假若 ∃ε0>0,E∩(l−ε0,l+ε0)是有限集,记为 {a1,a2,…,an}
取
ε=1≤i≤nai=lmin∣ai−l∣
则 (E∖{l})∩(l−ε,l+ε)=∅,矛盾,故充分性得证。
(ii)
根据否定命题的原则,显然。
(iii)
取 [a,b]⊃E,若 E 无聚点,则 ∀x∈E,∃εx>0,E∩(x−εx,x+εx)是有限集
由 2.3.3(vii) 的有限覆盖定理
∃{x1,x2,…,xn}⊂[a,b],[a,b]⊂j=1⋃n(xj−εxj,xj+εxj)
而
E=E∩[a,b]⊂j=1⋃nE∩(xj−εxj,xj+εxj)
(有限个有限集之并)
故 E 是有限集。
(iv)
若 Z 有上界,则 Z+ 亦有上界,而 Z+ 以 1 为下界,故 Z+ 有界
由 (iii) 的聚点存在定理, Z+ 有聚点,记为 l
则 (l−31,l+31)∩Z+ 应为无限集,但 (l−31,l+31) 中至多包含一个整数,与 l 是聚点矛盾,故 Z+ 无上界,Z 亦无上界。
同理易证 Z 无下界。
(v)
由 (iv) Z 无界易得。
(vi)
假若 ∃ε0>0,∀N∈N,Nn−m≥ε0, 则 ∀N∈N,N≤ε0n−m 与 N 无上界矛盾,得证。
(vii)
任意给定 ε>0,对 ∀x∈[a,b],
由 (v) 知 ∀N∈N,∃m,n∈Z,m<Na<Nb<n,即有 Nm<a≤x≤b<Nn
又由 (vi) 知 ∀ε>0,∃N∈N,Nn−m<ε
故
∀ε>0,(Q∩[a,b]∖{x})∩(x−ε,x+ε)=∅
即 x 是 Q∩[a,b] 的聚点。
2.3.8
(i)
显然。
(ii)
取 [a,b] 使 ∀n∈N,xn∈[a,b],记 [a1,b1]=[a,b]
将 [a1,b1] 二等分,则至少有一边包含 {xn} 的无穷多项,记为 [a2,b2],
类似地,将 [a2,b2] 二等分,取包含 {xn} 无穷多项的一边 [a3,b3],
……
以此类推得到闭区间套 [an,bn],且 ∀n∈N,[an,bn] 包含 {xn} 的无穷多项
由 2.3.1 的闭区间套定理,并注意到 bn−an=2n−1b−a→0
∃l,n=1⋂∞[an,bn]={l}而∀ε>0,∃n∈N,(l−ε,l+ε)⊃[an,bn]
故 l 是 {xn} 的聚点。
2.3.9
不妨设 b∈B,取 x=supA
显然 ∀ε>0,A∩(x−ε,x+ε)=∅,而 x≤b
若 x=b,显然 B∩(x−ε,x+ε)∋b
若 x<b,∀ε>0,∀y∈A,x+ε>y,而 [a,b]=A∪B
故 0<ε<b−x,x+ε∈B,得证。
2.3.10
(i)
考察 n+1 个实数 lα−⌊lα⌋(其中 l∈{1,2,…,n+1})
注意 ∀l∈{1,2,…,n+1},lα−⌊lα⌋<1
故在这组数中至少有两个数满足
∣(l2α−⌊l2α⌋)−(l1α−⌊l1α⌋)∣<n1,1<l1<l2<n+1
现取 k=l2−l1≤n,m=⌊l2α⌋−⌊l1α⌋,则 kα−m<n1
即有
∣∣∣∣α−km∣∣∣∣<kn1
(ii)
假若只有有限个这样的有理数 nimi,满足 ∣∣∣∣α−nimi∣∣∣∣<ni21(i∈{1,2,…,p})
令
δ=1≤i≤pmin∣∣∣∣∣α−nimi∣∣∣∣∣
取 N>δ1,并取 m,n∈N,(0<n<N) 使得
∣∣∣∣α−nm∣∣∣∣<nN1<n21
即 m,n 满足题意
同时注意到
∣∣∣∣α−nm∣∣∣∣<nN1<nδ<δ
即 nm∈/{nimi:1≤i≤p},导出矛盾
故满足 ∣∣∣α−nm∣∣∣<n21 的有理数 nm 有无限个。