上確界與下確界

Basis
最後更新: 標籤: 分析學, 實數

你已知道 R\mathbb{R} 是完備的——每個柯西數列都收斂。但完備性還有一個在實際操作中往往更方便的等價面貌:每個非空且有上界的實數子集都有一個最小的上界。這個上界稱為上確界(supremum),而對應於下界的鏡像則稱為下確界(infimum)。這兩個概念撐起了實分析的整個結構。

SRS \subseteq \mathbb{R} 是一個非空集合。

MRM \in \mathbb{R}SS 的一個上界(upper bound),若

sS,sM.\forall s \in S,\quad s \leq M.

mRm \in \mathbb{R}SS 的一個下界(lower bound),若

sS,ms.\forall s \in S,\quad m \leq s.

SS 至少有一個上界,則稱其有上界;若至少有一個下界,則稱其有下界。既有上界又有下界的集合簡稱有界

注意界不是唯一的。若 MMSS 的上界,則 M+1M + 1M+100M + 100 以及任何更大的數也是。有趣的對象是最緊的界。

上確界與下確界

SS上確界,記作 supS\sup S,是 SS 的最小上界:它是 SS 的上界,且 \leq 每一個其他上界。

解讀定義:supS=α\sup S = \alpha 意味著

  1. sS,  sα\forall s \in S,\; s \leq \alpha(上界),且
  2. ε>0,  sS 使得 s>αε\forall \varepsilon > 0,\; \exists\, s \in S \text{ 使得 } s > \alpha - \varepsilon(不存在更小的上界)。

條件 2 是上確界的特徵性質:你無法將 α\alpha 降低哪怕 ε\varepsilon,而不失去上界的性質。

SS下確界,記作 infS\inf S,是 SS 的最大下界:它是 SS 的下界,且 \geq 每一個其他下界。對偶地,infS=β\inf S = \beta 意味著

  1. sS,  βs\forall s \in S,\; \beta \leq s,且
  2. ε>0,  sS 使得 s<β+ε\forall \varepsilon > 0,\; \exists\, s \in S \text{ 使得 } s < \beta + \varepsilon

supS\sup SinfS\inf S 在存在時都是唯一的:若 α\alphaα\alpha' 都是最小上界,則 αα\alpha \leq \alpha'αα\alpha' \leq \alpha,故 α=α\alpha = \alpha'

最小上界性質

supS\sup S 的存在並非自動保證——它依賴於所在的數系。在 Q\mathbb{Q} 中,集合 {qQ:q2<2}\{q \in \mathbb{Q} : q^2 < 2\} 有上界(例如 22),卻在 Q\mathbb{Q} 中沒有上確界,因為 2Q\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}

R\mathbb{R} 中,情況是完美的:

定理(最小上界性質)。 R\mathbb{R} 的每個非空且有上界的子集在 R\mathbb{R} 中都有上確界。

證明提要。 因為 R\mathbb{R}完備的R\mathbb{R} 中的每個柯西數列都收斂。由完備性可以證明:對一個非空且有上界的 SS,考慮二分搜索數列,它不斷收緊一個區間 [an,bn][a_n, b_n],其中 anSa_n \in S(或接近 SS),bnb_n 始終是上界。區間長度縮減到零,故端點形成收斂到同一極限的柯西數列,此極限即為上確界。\square

由對稱性(對所有元素取反),R\mathbb{R} 中每個非空且有下界的子集都有下確界。

最小上界性質與 R\mathbb{R} 的完備性邏輯上等價:兩者都可以作為定義公理,另一個由此推導。它們共同表達了同一個事實——R\mathbb{R} 沒有空隙。

例子

閉區間 [a,b][a, b]

sup[a,b]=b,inf[a,b]=a.\sup [a, b] = b, \qquad \inf [a, b] = a.

兩個界都在集合內取到:b[a,b]b \in [a, b]a[a,b]a \in [a, b]

開區間 (a,b)(a, b)

sup(a,b)=b,inf(a,b)=a.\sup (a, b) = b, \qquad \inf (a, b) = a.

兩個界都不在集合內取到:b(a,b)b \notin (a, b)a(a,b)a \notin (a, b)。儘管集合中沒有元素能達到 bb,上確界在 R\mathbb{R} 中仍然存在——集合任意接近 bb 但永遠無法觸及它。

調和數列

S={1n:nN,  n1}={1,12,13,}S = \left\{\dfrac{1}{n} : n \in \mathbb{N},\; n \geq 1\right\} = \left\{1,\, \tfrac{1}{2},\, \tfrac{1}{3},\, \ldots\right\}

supS=1S,infS=0S.\sup S = 1 \in S, \qquad \inf S = 0 \notin S.

下確界 00 不被取到:每個元素 1/n>01/n > 0,但對任意 ε>0\varepsilon > 0,選取 n>1/εn > 1/\varepsilon 就得到 1/n<ε1/n < \varepsilon,確認 00 是最大下界。

無界集合

集合 N\mathbb{N} 有下界(infN=0\inf \mathbb{N} = 0),但無上界:沒有有限的 MM 是上界,故 supN\sup \mathbb{N}R\mathbb{R} 中不存在。按慣例記作 supN=+\sup \mathbb{N} = +\infty

確界在集合內外的情況

從例子中得到的一個關鍵洞察:SS 的上確界可能在 SS 中,也可能不在。

  • supSS\sup S \in S 若且唯若 SS最大值(maximum)(最大元素)。
  • infSS\inf S \in S 若且唯若 SS最小值(minimum)(最小元素)。

每個集合至多有一個最大值和一個最小值;若其中任一存在,它就等於對應的上確界或下確界。但一個集合可以有上確界而沒有最大值——如 (a,b)(a, b) 所示。

阿基米德性質

最小上界性質的一個經典推論是:

定理(阿基米德性質,Archimedean property)。 對每個 xRx \in \mathbb{R},都存在 nNn \in \mathbb{N} 使得 n>xn > x

證明。 假設某個 xRx \in \mathbb{R}N\mathbb{N} 的上界,則 N\mathbb{N}R\mathbb{R} 的一個非空有上界子集,故由最小上界性質(LUB property)它有上確界 α=supN\alpha = \sup \mathbb{N}。由於 α1\alpha - 1 不是 N\mathbb{N} 的上界,存在 nNn \in \mathbb{N} 使得 n>α1n > \alpha - 1,即 n+1>αn + 1 > \alpha。但 n+1Nn + 1 \in \mathbb{N},與 α\alpha 是上界矛盾。\square

一個等價的表述:對任意 ε>0\varepsilon > 0,都存在 nNn \in \mathbb{N} 使得 1/n<ε1/n < \varepsilon。這在分析學中被不斷用來說明某些量可以任意小。

等價刻畫

以下各條都等價於 α=supS\alpha = \sup S,在不同證明中各有用途:

  • α\alpha 是上界,且對每個 ε>0\varepsilon > 0,區間 (αε,α](\alpha - \varepsilon, \alpha] 包含 SS 的某個點。
  • α\alpha 是上界,且 SS 中存在數列 (sn)(s_n) 使得 snαs_n \to \alpha
  • α=min{MR:M 是 S 的上界}\alpha = \min\{M \in \mathbb{R} : M \text{ 是 } S \text{ 的上界}\}

第二個刻畫——SS 中一個收斂到上確界的數列——在許多證明中最為有用,將上確界/下確界的語言與數列和極限聯繫起來。

摘要

  • SS上界滿足對所有 sSs \in SsMs \leq M下界滿足對所有 sSs \in Smsm \leq s
  • 上確界 supS\sup S最小上界;下確界 infS\inf S最大下界。兩者在存在時都是唯一的。
  • 特徵刻畫:α=supS\alpha = \sup S 若且唯若 α\alpha 是上界且對每個 ε>0\varepsilon > 0,某個 sSs \in S 滿足 s>αεs > \alpha - \varepsilon
  • 最小上界性質:每個非空且有上界的 SRS \subseteq \mathbb{R} 都有 supSR\sup S \in \mathbb{R}。這與 R\mathbb{R} 的完備性等價。
  • 上確界不一定在 SS 中:supSS\sup S \in S 若且唯若 SS 有最大值。
  • 阿基米德性質由此得出:對任意 xRx \in \mathbb{R},存在 nNn \in \mathbb{N} 使得 n>xn > x,故 N\mathbb{N} 無上界,且 1/n1/n 可以任意小。