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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 bmb_m 都是序列 ana_n 的上界,由确界公理知 supnNan\sup_{n\in\N}a_n存在且比每个 bmb_m 都小。

(ii)

与(i)同理,显然

(iii)

由(i)知 mN,supnNan<bm\forall m\in\N,\sup_{n\in\N}a_n< b_m,结合(ii),显然 supnNan<infnNbn\sup_{n\in\N}a_n< \inf_{n\in\N}b_n

(iv)

由(iii)显然

nN[an,bn][supnNan,infnNbn]\bigcap_{n\in\N}\left[a_n,b_n\right]\supseteq\left[\sup_{n\in\N}a_n,\inf_{n\in\N}b_n \right]

x<supnNan,mN,am>x,xnN[an,bn]\forall x< \sup_{n\in\N}a_n,\exist m\in\N,a_m>x,\,\text{即} x\notin\bigcap_{n\in\N}\left[a_n,b_n\right]

以及

y>infnNbn,mN,bm<x\forall y> \inf_{n\in\N}b_n,\exist m\in\N,b_m< x

可知

nN[an,bn]=[supnNan,infnNbn]\bigcap_{n\in\N}\left[a_n,b_n\right]=\left[\sup_{n\in\N}a_n,\inf_{n\in\N}b_n \right]

2.3.2

(i)

r[k,l]r\notin[k,l],则令 g=2k+l3,h=k+2l3g=\frac{2k+l}{3},h=\frac{k+2l}{3},显然 [g,h][k,l][g,h]\subset[k,l]

r[k,l]r\in[k,l],则令 g=2r+l3,h=r+2l3g=\frac{2r+l}{3},h=\frac{r+2l}{3},有 r[g,h][k,l]r\notin[g,h]\subset[k,l]

(ii)

与(i)相同的构造方式,易得。

(iii)

与(i)相同,只要令

{cn+1=2cn+dn3,dn+1=cn+2dn3an+1[cn,dn]cn+1=2an+1+dn3,dn+1=an+1+2dn3an+1[cn,dn]\begin{cases} c_{n+1}=\frac{2c_n+d_n}{3},d_{n+1}=\frac{c_n+2d_n}{3} & a_{n+1}\notin[c_n,d_n]\\ c_{n+1}=\frac{2a_{n+1}+d_n}{3},d_{n+1}=\frac{a_{n+1}+2d_n}{3} & a_{n+1}\in[c_n,d_n] \end{cases}

(iv)

由2.3.1结论(闭区间套定理), n=1[cn,dn]\bigcap_{n=1}[c_n,d_n]\ne\empty

由数学归纳法

xD,xn=1[cn,dn]\forall x\in D,x\notin\bigcap_{n=1}[c_n,d_n]

(v)

nN,[cn,dn][c,d]\forall n\in\N,[c_n,d_n]\subset[c,d]

归纳地,

n=1[cn,dn][c,d]\bigcap_{n=1}[c_n,d_n]\subset[c,d]

xn=1[cn,dn][c,d],xD\exist x\in\bigcap_{n=1}[c_n,d_n]\subset[c,d],x\notin D

(vi)

对于任何一个 φ:NR\varphi:\N\mapsto\R,记 an=φ(n)a_n=\varphi(n)

由(v)中结论知,总 x[c,d],xφ(N)\exist x\in[c,d],x\notin\varphi(\N),即 [c,d][c,d] 不可数。

2.3.3

(i)

显然 aKa\in K

(ii)

显然 bbKK 的一个上界,有确界公理知 M=supKM=\sup K 存在。

(iii)

显然

(iv)

由确界公理以及确界的性质知

ε>0,(Mε,M]K\forall\varepsilon>0,(M-\varepsilon,M]\cap K\ne\empty

即存在 cK,c>Mεc\in K,c>M-\varepsilon,使 [a,c][a,c] 能被 {Iα:αJ}\{I_\alpha:\alpha\in J\} 的某个有限子族覆盖

[a,Mε][a,c][a,M-\varepsilon]\subset[a,c] 能被开区间族 {Iα:αJ}\{I_\alpha:\alpha\in J\} 的某个有限子族覆盖

(v)

因为开区间族 {Iα:αJ}\{I_\alpha:\alpha\in J\} 覆盖了 [a,b][a,b],故 αJ,MIα\exist\alpha\in J,M\in I_\alpha

又因 IαI_\alpha 是开区间,故 ε>0,[Mε,M]Iα\exist\varepsilon>0,[M-\varepsilon,M]\subset I_\alpha

注意到(iv)中 ε\varepsilon 的任意性

显然 [a,M][a,M] 也能被 {Iα:αJ}\{I_\alpha:\alpha\in J\} 的某个有限子族覆盖。

(vi)

假若 M<bM< b,由于(v)中的 IαI_\alpha 是开区间,故

0<δ<bM,M+δIα\exist 0< \delta< b-M,M+\delta\in I_\alpha

[a,M+δ][a,M+\delta] 也可被 {Iα:αJ}\{I_\alpha:\alpha\in J\} 的某个有限子族覆盖,这与 MMKK 的上确界矛盾。

(vii)

由(v)和(vi),显然。

(viii)

假若 N\N 有上界 MM,则

[1,M]x[1,M](x13,x+13)[1,M]\subset\bigcup_{\mathclap{x\in[1,M]} }\left(x-\frac{1}{3},x+\frac{1}{3} \right)

由(vii)中结论(有限覆盖定理)

[1,M][1,M] 可以被 x[1,M](x13,x+13)\bigcup_{x\in[1,M] }\left(x-\frac{1}{3},x+\frac{1}{3} \right) 的某个有限子族覆盖

注意到其每个区间 (x13,x+13)\left(x-\frac{1}{3},x+\frac{1}{3} \right) 长度为 23<1\frac{2}{3}< 1

故每个区间 (x13,x+13)\left(x-\frac{1}{3},x+\frac{1}{3} \right) 至多只包含一个自然数

[1,M][1,M] 可以被 x[1,M](x13,x+13)\bigcup_{x\in[1,M] }\left(x-\frac{1}{3},x+\frac{1}{3} \right) 的某个有限子族覆盖

[1,M][1,M] 中只包含有限个整数,这与 N\N 是无限集矛盾,故 N\N 无上界。

(ix)

考虑如 2.3.1 的闭区间套

[a1,b1][a2,b2][an,bn][a_1,b_1]\supset[a_2,b_2]\supset\cdots\supset[a_n,b_n]\supset\cdots

U=(a1,b1+1)U=(a_1,b_1+1) 为空间,显然

kN,[ak,bk]U\forall k\in\N,[a_k,b_k]\subset U

任何一个闭区间的余集 [an,bn]C=(a11,an)(bn,b1+1)[a_n,b_n]^C=(a_1-1,a_n)\cup(b_n,b_1+1) 是两个开区间之并

假若

n=1[an,bn]=\bigcap_{n=1}^\infty [a_n,b_n]=\empty

n=1[an,bn]C=U(a1,b1)\bigcup_{n=1}^\infty [a_n,b_n]^C=U\supset(a_1,b_1)

由(vii)中结论(有限覆盖定理)

存在 n=1[an,bn]C\bigcup_{n=1}^\infty [a_n,b_n]^C 的某个有限子族可以将 [a1,b1][a_1,b_1] 覆盖

n=1[an,bn]C\bigcup_{n=1}^\infty [a_n,b_n]^C 的开子区间可以表示为 (a11,am)(a_1-1,a_m)(bk,b1+1)(b_k,b_1+1)

考虑在某个有限子族中这些开区间里标号(mmkk)最大的一个,其标号为 ll,注意到闭区间套的性质,则 [al+1,bl+1][a1,b1][a_{l+1},b_{l+1}]\subset[a_1,b_1] 无法被覆盖,导出矛盾,故

n=1[an,bn]\bigcap_{n=1}^\infty [a_n,b_n]\ne\empty

2.3.4

(i)

[a,b]j=1n(cj,dj)[a,b]\subset\bigcup_{j=1}^n (c_j,d_j)

必存在开区间 (k,l)(k,l) 使 [a,b](k,l)=jG(cj,dj)[a,b]\subset(k,l)=\bigcup_{j\in G}(c_j,d_j)(其中 G{1,2,,n}G\subset\{1,2,\dots,n\}
(否则 x[a,b],xj=1n(cj,dj)\exist x\in[a,b],x\notin\bigcup_{j=1}^n (c_j,d_j) 与题设矛盾)

由数学归纳法和开区间的简单性质易证 lk<jG(djcj)l-k< \sum_{j\in G}(d_j-c_j)

因而

ba<lk<jG(djcj)<j=1n(djcj)b-a< l-k< \sum_{j\in G}(d_j-c_j)< \sum_{j=1}^n(d_j-c_j)

(ii)

由 2.3.3(vii) 的有限覆盖定理,必存在某个有限集 FJF\subset J 使得 [a,b]αFIα[a,b]\subset\bigcup_{\alpha\in F}I_\alpha

又由(i),即有

ba<αFIαsup有限集FJαFIαb-a< \sum_{\alpha\in F}|I_\alpha|\le\sup_{\text{有限集}F\subset J }\sum_{\alpha\in F}|I_\alpha|

(iii)

任意给定 ε>0\varepsilon>0,记 D={a1,a2,,an,}D=\{a_1,a_2,\dots,a_n,\dots \},并取 In=(an2n2ε,an+2n2ε)I_n=\left(a_n-2^{-n-2}\varepsilon,a_n+2^{-n-2}\varepsilon \right)

显然 D=n=1InD=\bigcup_{n=1}^\infty I_n,且 n=1In=ε2<ε\sum_{n=1}^\infty |I_n|=\frac{\varepsilon}{2}< \varepsilon

(iv)

假若 [a,b][a,b] 是可数集,由(ii)知 [a,b][a,b] 必定能被某个开区间族 {Iα:αJ}\{I_\alpha :\alpha\in J \} 覆盖,且

ba<sup有限集FJαFIαb-a< \sup_{\text{有限集}F\subset J }\sum_{\alpha\in F}|I_\alpha|

取开区间族 {Iα:αJ}\{I_\alpha :\alpha\in J \} 中蕴含了 {Ii:iF}\{I_i :i\in F \} 的某个可数子族 {In:nE}\{I_n :n\in E \},显然

nEIn>sup有限集FJαFIα\sum_{n\in E}|I_n|>\sup_{\text{有限集}F\subset J }\sum_{\alpha\in F}|I_\alpha|

又由(iii),取 ε=ba2\varepsilon=\frac{b-a}{2},则有

ba<sup有限集FJαFIα<nEIn<ba2b-a< \sup_{\text{有限集}F\subset J }\sum_{\alpha\in F}|I_\alpha|< \sum_{n\in E}|I_n|< \frac{b-a}{2}

导出矛盾,故 [a,b][a,b] 是不可数集。

2.3.5

(i)

SS 中的点按大小排序 a0<a1<<ana_0< a_1< \cdots< a_n

显然只要某个 Iα[x,y]I_\alpha\subset[x,y],就有 S[x,y]=S\cap[x,y]=\empty

假设有某个 ai[x,y]a_i\in[x,y],由 λ\lambda 的选取,必有 ai1<x,ai+1>ya_{i-1}< x,a_{i+1}>y

[x,y][x,y] 中最多含有 SS 的一个点。

(ii)

xIα=(kα,lα)x\in I_\alpha=(k_\alpha,l_\alpha)

显然 yy 只可能满足 kα<x<y<lαk_\alpha< x< y< l_\alpha 或者 ylαy\ge l_\alpha 其中之一,

而后者显然使 lα[x,y]l_\alpha\in[x,y],与题设矛盾,故 y(kα,lα)y\in(k_\alpha,l_\alpha)

(iii)

[x,y]S={h}[x,y]\cap S=\{h\}

hh 为端点的开区间不会盖住 hh

对于任何一个盖住 hh 的开区间 Iβ=(kβ,lβ)I_\beta=(k_\beta,l_\beta),必有 [x,y]Iβ[x,y]\subset I_\beta

否则 [x,y]S={h,kβ}[x,y]S={h,lβ}[x,y]\cap S=\{h,k_\beta\}\veebar [x,y]\cap S=\{h,l_\beta\} 为真,与(i)中结论矛盾,故 [x,y]Iβ[x,y]\subset I_\beta

(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FJ,[a,b]αFIα\exist\text{有限集}F\subset J,[a,b]\subset\bigcup_{\alpha\in F}I_\alpha

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(lε0,l+ε0)\exist\varepsilon_0>0,E\cap(l-\varepsilon_0,l+\varepsilon_0)是有限集,记为 {a1,a2,,an}\{a_1,a_2,\dots,a_n\}

ε=min1inailail\varepsilon=\min_{\substack{1\le i\le n\\ a_i\ne l} }\left|a_i-l\right|

(E{l})(lε,l+ε)=(E\setminus\{l\})\cap(l-\varepsilon,l+\varepsilon)=\empty,矛盾,故充分性得证。

(ii)

根据否定命题的原则,显然。

(iii)

[a,b]E[a,b]\supset E,若 EE 无聚点,则 xE,εx>0,E(xεx,x+εx)\forall x\in E,\exist \varepsilon_x>0, E\cap(x-\varepsilon_x,x+\varepsilon_x)是有限集

由 2.3.3(vii) 的有限覆盖定理

{x1,x2,,xn}[a,b],[a,b]j=1n(xjεxj,xj+εxj)\exist\{x_1,x_2,\dots,x_n \}\subset[a,b], [a,b]\subset\bigcup_{j=1}^n\left(x_j-\varepsilon_{x_j},x_j+\varepsilon_{x_j} \right)

E=E[a,b]j=1nE(xjεxj,xj+εxj)E=E\cap[a,b]\subset\bigcup_{j=1}^nE\cap\left(x_j-\varepsilon_{x_j},x_j+\varepsilon_{x_j} \right)

(有限个有限集之并)

EE 是有限集。

(iv)

Z\Z 有上界,则 Z+\Z_{+} 亦有上界,而 Z+\Z_{+}11 为下界,故 Z+\Z_{+} 有界

由 (iii) 的聚点存在定理, Z+\Z_{+} 有聚点,记为 ll

(l13,l+13)Z+\left(l-\frac{1}{3},l+\frac{1}{3} \right)\cap\Z_{+} 应为无限集,但 (l13,l+13)\left(l-\frac{1}{3},l+\frac{1}{3} \right) 中至多包含一个整数,与 ll 是聚点矛盾,故 Z+\Z_{+} 无上界,Z\Z 亦无上界。

同理易证 Z\Z 无下界。

(v)

由 (iv) Z\Z 无界易得。

(vi)

假若 ε0>0,NN,nmNε0\exist\varepsilon_0>0,\forall N\in\N,\frac{n-m}{N}\ge\varepsilon_0, 则 NN,Nnmε0\forall N\in\N,N\le\frac{n-m}{\varepsilon_0}N\N 无上界矛盾,得证。

(vii)

任意给定 ε>0\varepsilon>0,对 x[a,b]\forall x\in[a,b]

由 (v) 知 NN,m,nZ,m<Na<Nb<n\forall N\in\N,\exist m,n\in\Z, m< Na< Nb< n,即有 mN<axb<nN\frac{m}{N}< a\le x\le b< \frac{n}{N}

又由 (vi) 知 ε>0,NN,nmN<ε\forall\varepsilon>0,\exist N\in\N,\frac{n-m}{N}< \varepsilon

ε>0,(Q[a,b]{x})(xε,x+ε)\forall\varepsilon>0,(\mathbb{Q}\cap[a,b]\setminus\{x\})\cap(x-\varepsilon,x+\varepsilon)\ne\empty

xxQ[a,b]\mathbb{Q}\cap[a,b] 的聚点。

2.3.8

(i)

显然。

(ii)

[a,b][a,b] 使 nN,xn[a,b]\forall n\in\N,x_n\in[a,b],记 [a1,b1]=[a,b][a_1,b_1]=[a,b]

[a1,b1][a_1,b_1] 二等分,则至少有一边包含 {xn}\{x_n\} 的无穷多项,记为 [a2,b2][a_2,b_2]

类似地,将 [a2,b2][a_2,b_2] 二等分,取包含 {xn}\{x_n\} 无穷多项的一边 [a3,b3][a_3,b_3]

……

以此类推得到闭区间套 [an,bn][a_n,b_n],且 nN\forall n\in\N[an,bn][a_n,b_n] 包含 {xn}\{x_n\} 的无穷多项

由 2.3.1 的闭区间套定理,并注意到 bnan=ba2n10b_n-a_n=\frac{b-a}{2^{n-1} }\to0

l,n=1[an,bn]={l}ε>0,nN,(lε,l+ε)[an,bn]\exist l,\bigcap_{n=1}^{\infty}[a_n,b_n]=\{l\}\text{而}\forall\varepsilon>0,\exist n\in\N,(l-\varepsilon,l+\varepsilon)\supset[a_n,b_n]

ll{xn}\{x_n\} 的聚点。

2.3.9

不妨设 bBb\in B,取 x=supAx=\sup A

显然 ε>0,A(xε,x+ε)\forall\varepsilon>0,A\cap(x-\varepsilon,x+\varepsilon)\ne\empty,而 xbx\le b

x=bx=b,显然 B(xε,x+ε)bB\cap(x-\varepsilon,x+\varepsilon)\ni b

x<bx< bε>0,yA,x+ε>y\forall\varepsilon>0,\forall y\in A,x+\varepsilon>y,而 [a,b]=AB[a,b]=A\cup B

0<ε<bx,x+εB0< \varepsilon< b-x, x+\varepsilon\in B,得证。

2.3.10

(i)

考察 n+1n+1 个实数 lαlαl\alpha-\lfloor l\alpha\rfloor(其中 l{1,2,,n+1}l\in\{1,2,\dots,n+1\}

注意 l{1,2,,n+1},lαlα<1\forall l\in\{1,2,\dots,n+1\}, l\alpha-\lfloor l\alpha\rfloor< 1

故在这组数中至少有两个数满足

(l2αl2α)(l1αl1α)<1n,1<l1<l2<n+1\left|(l_2\alpha-\lfloor l_2\alpha\rfloor)-(l_1\alpha-\lfloor l_1\alpha\rfloor) \right|< \frac{1}{n},\quad 1< l_1< l_2< n+1

现取 k=l2l1n,m=l2αl1αk=l_2-l_1\le n, m=\lfloor l_2\alpha\rfloor-\lfloor l_1\alpha\rfloor,则 kαm<1nk\alpha-m< \frac{1}{n}

即有

αmk<1kn\left|\alpha-\frac{m}{k} \right|< \frac{1}{kn}

(ii)

假若只有有限个这样的有理数 mini\frac{m_i}{n_i},满足 αmini<1ni2\left|\alpha-\frac{m_i}{n_i} \right|< \frac{1}{n_i^2}i{1,2,,p}i\in\{1,2,\dots,p\}

δ=min1ipαmini\delta=\min_{1\le i\le p}\left|\alpha-\frac{m_i}{n_i} \right|

N>1δN>\frac{1}{\delta},并取 m,nN,(0<n<N)m,n\in\N,(0< n< N) 使得

αmn<1nN<1n2\left|\alpha-\frac{m}{n} \right|< \frac{1}{nN}< \frac{1}{n^2}

m,nm,n 满足题意

同时注意到

αmn<1nN<δn<δ\left|\alpha-\frac{m}{n} \right|< \frac{1}{nN}< \frac{\delta}{n}< \delta

mn{mini:1ip}\frac{m}{n}\notin\left\{\frac{m_i}{n_i}:1\le i\le p \right\},导出矛盾

故满足 αmn<1n2\left|\alpha-\frac{m}{n}\right|< \frac{1}{n^2} 的有理数 mn\frac{m}{n} 有无限个。

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