数分III 课堂笔记

一、实数的公理化定义

1、有序集

集合 S 上的序是一种关系,记为 ≤,满足

称 (S,≤) 为有序集。注:

2、实数公理系统

集合 R,带有加法 +,乘法 ×,序关系 ≤。当 (R,+,×,≤) 满足下列公理时,称其为一个实数系:

  1. 域公理(F)

    • (A1) 加法结合律

    • (A2) 加法交换律

    • (A3) 加法零元

    • (A4) 加法负元

    • (M1) 乘法结合律

    • (M2) 乘法交换律

    • (M3) 乘法幺元

    • (M4) 乘法逆元

    • (AM) 分配律

  2. 序公理

    • (O1)(O2)(O3)(O4)

    • (OA) 加法保序性

      ∀x,y,z∈R, x≤y⇒x+z≤y+z

    • (OM) 乘法保序性

      ∀x,y≥0∈R,  x×y≥0

  3. 连续性公理

    • (C1) 阿基米德性

      ∀x>0,y∈R, ∃n∈Z, nx>y

      其中 nx 定义为 n 个 x 相乘。

    • (C2) 完备性

      R,R′ 满足(F)(O)(C1),且 R⊂R′⇒R=R′

3、实数系的构造

3.1. 戴德金分割

称满足下面条件的 Q 的子集 α 为一个戴德金分割

注:若 Q−α 中又最小元 p,则记 α=p∗={q∈Q|q<p},称之为有理分割。记全体有理分割为 Q∗。若 Q−α 中无最小元,则称其为无理分割。

3.2. 构造序关系

3.2.1 定义 α≤β⇔α⊂β。

证明:O4。即证:α≤β 不成立时,β≤α 成立。

¬(α≤β)⇒∃p∈α, p∉β∀q∈β, q<p,otherwise p∈β⇒∀q∈β, q∈α

3.2.2 显然 Q 与 Q∗ 有相同的序关系。

3.2.3 由于(D3),∀p∈α,p∗<α

3.2.4 有理分割在 R 中有稠密性

(1)若 α<β,则有 α<p∗<β

α<β⇒∃p1∈β,p1∉α⇒ p1∗≥α  &  p1∗<β⇒ ∃p∈β, p>p1α<p∗<β

(2)∀α∈R, r>0, ∃ p  st  p∗<α<(p+r)∗