Существование верхней (нижней) грани. Существование точной верхней грани у ограниченного сверху множества

Рис. 1.12

Замечание. Аналогично доказывается, что точная нижняя грань единственна.

Если E не ограничено сверху, то пишут sup E = +¥, аналогично, если E не ограничено снизу, то пишут inf E = -¥.

Существование у любого ограниченного сверху (снизу) множества точной верхней (точной нижней) грани не является очевидным и требует доказательства. Докажем следующую основную теорему.

Основная теорема 2.1. Если Множество чисел, представимых бесконечными десятичными дробями, ограничено сверху (соответственно снизу) и содержит хотя бы один элемент, то у этого множества существует точная верхняя (соответственно точная нижняя) грань.

Доказательство. Мы остановимся лишь на доказательстве существования точной верхней грани у любого ограниченного сверху множества, ибо существование точной нижней грани у любого ограниченного снизу множества доказывается совершенно аналогично.

Итак, пусть множество ограничено сверху, т. е. существует такое число М, что каждый элемент х множества удовлетворяет неравенству

Могут представиться два случая:

1°. Среди элементов множества есть хотя бы одно неотрицательное число. 2°. Все элементы множества являются отрицательными числами. Эти случаи мы рассмотрим отдельно.

1°. Рассмотрим лишь неотрицательные числа, входящие в состав множества Каждое из этих чисел представим в виде бесконечной десятичной дроби и рассмотрим целые части этих десятичных дробей. В силу неравенства все целые части не превосходят числа М, а поэтому найдется наибольшая из целых частей, которую мы обозначим через Сохраним среди неотрицательных чисел множества те, у которых целая часть равна и отбросим все остальные числа. У сохраненных чисел рассмотрим первые десятичные знаки после запятой. Наибольший из этих знаков обозначим через Сохраним среди неотрицательных чисел множества те, у которых целая часть равна а первый десятичный знак равен и отбросим все остальные числа. У сохраненных чисел рассмотрим вторые десятичные знаки после запятой. Наибольший из этих знаков обозначим через Продолжая аналогичные рассуждения далее, мы последовательно определим десятичные знаки некоторого числа

Докажем, что это число х и является точной верхней гранью множества Для этого достаточно доказать два утверждения: 1) каждый элемент х множества удовлетворяет неравенству 2) каково бы ни было число х, меньшее х, найдется хотя бы один элемент х множества удовлетворяющий неравенству

Докажем сначала утверждение 1). Так как х по построению является неотрицательным числом, то любой отрицательный элемент х множества заведомо удовлетворяет неравенству

Поэтому нам достаточно доказать, что любой неотрицательный элемент х множества удовлетворяет неравенству

Предположим, что некоторый неотрицательный элемент не удовлетворяет неравенству Тогда и по правилу упорядочения найдется номер такой, что Но последние соотношения противоречат

тиворечат тому, что в качестве берется наибольший из десятичных знаков тех элементов которых целая часть и первые знаков после запятой соответственно равны

Полученное противоречие доказывает утверждение 1).

Докажем теперь утверждение 2). Пусть х - любое число, удовлетворяющее условию Требуется доказать, что существует хотя бы один элемент х множества удовлетворяющий неравенству

Если число х является отрицательным, то неравенству заведомо удовлетворяет неотрицательный элемент х множества (по предположению хотя бы один такой элемент существует).

Остается рассмотреть случай, когда число х, удовлетворяющее условию является неотрицательным. Пусть Из условия и из правила упорядочения вытекает, что найдется номер такой, что

С другой стороны, из построения числа (2.9) вытекает, что для любого номера найдется неотрицательный элемент множества такой, у которого целая часть и все первые знаков после запятой те же, что у числа х. Иными словами, для номера найдется элемент х такой, для которого

Докажем еще одну теорему, которая опирается на свойство непрерывности действительных чисел.

Терема о существовании верхней (нижней) грани. Сначала введем несколько определений.

Определение . Числовое множество X называется ограниченным сверху, если существует число М такое, что x ≤ M для всякого элемента x из множества X .

Определение . Числовое множество X называется ограниченным снизу, если существует число m такое, что x ≥ m для всякого элемента x из множества X .

Определение . Числовое множество X называется ограниченным, если оно ограничено сверху и снизу.

В символической записи эти определения будут выглядеть следующим образом:

множество X ограничено сверху, если ∃M ∀x ∈ X: x ≤ M ,

ограничено снизу, если ∃m ∀x ∈ X: x ≥ m и

ограничено, если ∃m, M ∀x ∈ X: m ≤ x ≤ M .

Определение. Для любого числа a R неотрицательное число

называется его абсолютной величиной или модулем . Для абсолютных величин чисел справедливо неравенство |a+b|< |a| , которое вытекает из определения модуля числа и из аксиом сложения и порядка.

Теорема 4.3.1 . Числовое множество X ограничено тогда и только тогда, когда существует число C такое, что для всех элементов x из этого множества выполняется неравенство ≤ C.

Доказательство. Пусть множество X ограничено. Положим C =max(m, M) - наибольшее из чисел m и M. Тогда, используя свойства модуля вещественных чисел, получим неравенства x ≤M≤M ≤C и x≥m≥ −m≥ −C , откуда следует, что ≤ C .

Обратно, если выполняется неравенство ≤ C , то −C ≤ x ≤ C . Это и есть требуемое, если положить M = C и m = −C .◄

Число M , ограничивающее множество X сверху, называется верхней границей множества . Если M - верхняя граница множества X , то любое число M′ , которое больше M , тоже будет верхней границей этого множества. Таким образом, мы можем говорить о множестве верхних границ множества X . Обозначим множество верхних границ через . Тогда, ∀x ∈ X и ∀M ∈ будет выполнено неравенство x ≤M , следовательно, по аксиоме непрерывности существует число такое, что x ≤ ≤ M . Это число называется точной верхней границей числового множества X или верхней гранью этого множества или супремумом множества X и обозначается =sup X . Таким образом, мы доказали, что каждое непустое числовое множество, ограниченное сверху, всегда имеет точную верхнюю границу.

Очевидно, что равенство = sup X равносильно двум условиям:

1) ∀x ∈ X выполняется неравенство x ≤ , т.е. - верхняя граница множества X ;

2) ∀ε > 0 ∃xε ∈ X так, что выполняется неравенство xε > −ε , т.е. эту границу нельзя улучшить (уменьшить).

Аналогично, можно доказать, что если множество ограничено снизу, то оно имеет точную нижнюю границу, которая называется также нижней гранью или инфимумом множества X и обозначается inf X . Равенство =inf X равносильно условиям:

1) ∀x ∈ X выполняется неравенство x ≥ ;

2) ∀ε > 0 ∃xε ∈ X так, что выполняется неравенство xε < + ε .

Если в множестве X есть наибольший элемент , то будем называть его

максимальным элементом множества X и обозначать = max X . Тогда

supX = . Аналогично, если в множестве существует наименьший элемент, то его будем называть минимальным, обозначать minX и он будет являться инфимумом множества X .

Cформулируем несколько свойств верхних и нижних граней:

Свойство 1 . Пусть X - некоторое числовое множество. Обозначим через −X множество {− x| x ∈ X } . Тогда sup (− X) = − inf X и inf (− X) = − sup X .

Свойство 2. Пусть X - некоторое числовое множество λ – вещественное число. Обозначим через λX множество {λx | x ∈ X } . Тогда если λ ≥ 0 , то sup(λX) = λ supX , inf(λ X)= λ infX и, если λ < 0, то sup(λ X)=λ infX , inf(λ X)=λ supX .

Свойство 3 . Пусть X1 и X2 - числовые множества. Обозначим через X1+X2 множество { x1+ x2| x1 ∈ X1, x2 ∈ X2 } и через X1 − X2 множество {x1 − x2 | x1 ∈ X1, x2 ∈ X2} . Тогда sup(X1 + X2)=supX1+supX2 , inf(X1+X2)=infX1 +inf X2 , sup(X1 − X2) = sup X1 − inf X2 и inf (X1 − X2) = inf X1 − sup X2 .

Свойство 4 . Пусть X1 и X2 - числовые множества, все элементы которых неотрицательны. Тогда sup (X1*X2) = sup X1 *sup X2 , inf (X1*X2) = inf X1* inf X2 .

Докажем например первое равенство свойства 3. Пусть x1 ∈ X1, x2 ∈ X2 и x=x1+x2. Тогда x1 ≤ sup X1, x2 ≤ sup X2 и x ≤ sup X1 + sup X2 , откуда sup(X1 + X2) ≤ sup X1 + sup X2 .

Чтобы доказать противоположное неравенство, возьмем число y. Тогда можно найти элементы ∈ X1 и ∈ X2 такие, что ^{y. Это означает, что существует элемент = + ∈ X1+X2, который больше числа y и sup X1 + sup X2 = sup (X1 + X2) . Остальные соотношения доказываются аналогично.}