你已知道 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。
界
設 S⊆R 是一個非空集合。
數 M∈R 是 S 的一個上界(upper bound),若
∀s∈S,s≤M.
數 m∈R 是 S 的一個下界(lower bound),若
∀s∈S,m≤s.
若 S 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 M 是 S 的上界,則 M+1、M+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
S 的上確界,記作 supS,是 S 的最小上界:它是 S 的上界,且 ≤ 每一個其他上界。
解讀定義:supS=α 意味著
- ∀s∈S,s≤α(上界),且
- ∀ε>0,∃s∈S 使得 s>α−ε(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 降低哪怕 ε,而不失去上界的性質。
S 的下確界,記作 infS,是 S 的最大下界:它是 S 的下界,且 ≥ 每一個其他下界。對偶地,infS=β 意味著
- ∀s∈S,β≤s,且
- ∀ε>0,∃s∈S 使得 s<β+ε。
supS 和 infS 在存在時都是唯一的:若 α 和 α′ 都是最小上界,則 α≤α′ 且 α′≤α,故 α=α′。
最小上界性質
supS 的存在並非自動保證——它依賴於所在的數系。在 Q 中,集合 {q∈Q:q2<2} 有上界(例如 2),卻在 Q 中沒有上確界,因為 2∈/Q。
在 R 中,情況是完美的:
定理(最小上界性質)。 R 的每個非空且有上界的子集在 R 中都有上確界。
證明提要。 因為 R 是完備的,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 S,考慮二分搜索數列,它不斷收緊一個區間 [an,bn],其中 an∈S(或接近 S),bn 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。□
由對稱性(對所有元素取反),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 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 沒有空隙。
例子
閉區間 [a,b]
sup[a,b]=b,inf[a,b]=a.
兩個界都在集合內取到:b∈[a,b] 且 a∈[a,b]。
開區間 (a,b)
sup(a,b)=b,inf(a,b)=a.
兩個界都不在集合內取到:b∈/(a,b) 且 a∈/(a,b)。儘管集合中沒有元素能達到 b,上確界在 R 中仍然存在——集合任意接近 b 但永遠無法觸及它。
調和數列
設 S={n1:n∈N,n≥1}={1,21,31,…}。
supS=1∈S,infS=0∈/S.
下確界 0 不被取到:每個元素 1/n>0,但對任意 ε>0,選取 n>1/ε 就得到 1/n<ε,確認 0 是最大下界。
無界集合
集合 N 有下界(infN=0),但無上界:沒有有限的 M 是上界,故 supN 在 R 中不存在。按慣例記作 supN=+∞。
確界在集合內外的情況
從例子中得到的一個關鍵洞察:S 的上確界可能在 S 中,也可能不在。
- supS∈S 若且唯若 S 有最大值(maximum)(最大元素)。
- infS∈S 若且唯若 S 有最小值(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) 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 x∈R,都存在 n∈N 使得 n>x。
證明。 假設某個 x∈R 是 N 的上界,則 N 是 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。由於 α−1 不是 N 的上界,存在 n∈N 使得 n>α−1,即 n+1>α。但 n+1∈N,與 α 是上界矛盾。□
一個等價的表述:對任意 ε>0,都存在 n∈N 使得 1/n<ε。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,在不同證明中各有用途:
- α 是上界,且對每個 ε>0,區間 (α−ε,α] 包含 S 的某個點。
- α 是上界,且 S 中存在數列 (sn) 使得 sn→α。
- α=min{M∈R:M 是 S 的上界}。
第二個刻畫——S 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
- S 的上界滿足對所有 s∈S 有 s≤M;下界滿足對所有 s∈S 有 m≤s。
- 上確界 supS 是最小上界;下確界 infS 是最大下界。兩者在存在時都是唯一的。
- 特徵刻畫:α=supS 若且唯若 α 是上界且對每個 ε>0,某個 s∈S 滿足 s>α−ε。
- 最小上界性質:每個非空且有上界的 S⊆R 都有 supS∈R。這與 R 的完備性等價。
- 上確界不一定在 S 中:supS∈S 若且唯若 S 有最大值。
- 阿基米德性質由此得出:對任意 x∈R,存在 n∈N 使得 n>x,故 N 無上界,且 1/n 可以任意小。