previous contents next

3. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ (ВЕЩЕСТВЕННЫЕ) ЧИСЛА.

Число в математике, как время в физике - известно каждому, но непонятно только специалисту.

3.1 Аксиоматика и некоторые общие свойства действительных чисел.

3.1.1 Аксиомы множества действительных чисел.

Определение 3.1.1: Множество действительных (вещественных) чисел.
Некоторое непустое множество, обозначаемое $\mathbb{R}$, назовем множеством действительных (вещественных) чисел, а его элементы действительными (вещественными) числами, если выполнены перечисленные ниже аксиомы (аксиомы сложения, умножения, порядка, их связи и аксиома полноты).

I. Аксиомы сложения.
Определено отображение $+:\mathbb{R}\times\mathbb{R}\to\mathbb{R}$, называемое далее операцией сложения, сопоставляющее каждой упорядоченной паре $(x,y)\in\mathbb{R}^2$ элемент $x+y\in\mathbb{R}$, называемый далее суммой элементов $x$ и $y$ (т. е. $+(x,y)=z$ обозначают как $x+y=z$), при этом выполнены условия:

Несколько абстрагируясь от происхождения множества $\mathbb{R}$, если на каком-то множестве $G$ задана операция "$+$" удовлетворяющая аксиомам $1^+-3^+$, то по определению говорят, что на множестве $G$ задана структура группы, или что $G$ есть группа. Если упомянутую операцию называют сложением, то группу называют аддитивной. Если в свою очередь дополнительно известно, что операция "$+$" коммутативна (т. е. выполнена аксиома $4^+$), то в этом случае группу называют коммутативной или абелевой (Н. Х. Абель 1802-1829 - норвежский математик). Таким образом суть аксиом I: множество $\mathbb{R}$ - абелева группа по сложению.

II. Аксиомы умножения.
Определено отображение $*:\mathbb{R}\times\mathbb{R}\to\mathbb{R}$, называемое далее операцией умножения, сопоставляющее каждой упорядоченной паре $(x,y)\in\mathbb{R}^2$ элемент $x*y\in\mathbb{R}$, называемый далее произведением элементов $x$ и $y$ (т. е. $*(x,y)=z$ обозначают как $x*y=z$), при этом выполнены условия:

Суть аксиом II:множество $\mathbb{R}\backslash\{0\}$ - абелева группа по умножению.

(I, II) Связь аксиом сложения и умножения.
Умножение дистрибутивно по отношению к сложению, то есть $$\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R},\forall{z}\in\mathbb{R}((x+y)*z=x*z+y*z)$$ Если на каком либо множестве $G$ определены две операции обладающие всеми перечисленными свойствами, то множество $G$ принято называть алгебраическим полем или просто полем.

III. Аксиомы порядка.
На множестве $\mathbb{R}^2$ задано отношение "$\leq$" - меньше или равно, удовлетворяющее свойствам

Таким образом отношение меньше или равно удовлетворяет всем условиям определения отношения порядка. Суть аксиом III: множество $\mathbb{R}$ линейно упорядоченно в смысле отношения меньше или равно.

(I, III) Связь аксиом сложения и порядка. $$\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R},\forall{z}\in\mathbb{R}(x\leq{y}\Rightarrow{x}+z\leq{y}+z)$$

(II, III) Связь аксиом умножения и порядка. $$\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}((0\leq{x}\wedge0\leq{y})\Rightarrow0\leq{x}*y)$$

IV. Аксиома полноты (непрерывности).
Пусть $X$ и $Y$ два непустых подмножества из $\mathbb{R}$ такие, что для любого $x\in{X}$ и для любого $y\in{Y}$ выполняется $x\leq{y}$, тогда существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что для любого $x\in{X}$ и для любого $y\in{Y}$ выполняется $x\leq{c}$ и $c\leq{y}$. То есть $$X\subset\mathbb{R},Y\subset\mathbb{R}:\forall{x}\in{X},\forall{y}\in{Y}(x\leq{y})\Rightarrow \exists{c}\in\mathbb{R}:\forall{x}\in{X},\forall{y}\in{Y}(x\leq{c}\leq{y})$$

Всякий аксиоматический подход к определению действительных чисел является традиционно формальным. Он предполагает незнание никаких свойств действительных чисел. Мы взяли совокупность аксиом и сказали, что произвольное множество, которое им удовлетворяет называется множеством действительных чисел. Доказано, что данная система аксиом является непротиворечивой и категоричной. То есть существуют способы построения множеств удовлетворяющих указанным аксиомам и для любых двух таких множеств $\mathbb{R}_A$ и $\mathbb{R}_B$ существует биективное отображение $f(x):\mathbb{R}_A\to\mathbb{R}_B$ такое, что

  1. $f(x+y)=f(x)+f(y)$
  2. $f(x*y)=f(x)*f(y)$
  3. $x\leq{y}\Leftrightarrow{f}(x)\leq{f}(y)$
Это говорит о том, что множества $\mathbb{R}_A$ и $\mathbb{R}_B$ тождественны с точностью до замены обозначений.
3.1.2 Некоторые алгебраические свойства вещественных чисел.

Утверждение 3.1.1: Следствия из аксиом сложения.

  1. В множестве $\mathbb{R}$ имеется только один нуль.
  2. $\forall{x}\in\mathbb{R}(\exists!-x\in\mathbb{R})$
  3. $\forall{a},b\in\mathbb{R}(\exists!x=b+(-a):a+x=b)$

Доказательство:

  1. Пусть имеется два нуля $0_1$ и $0_2$, тогда $0_1+0_2=0_1$, так как $0_2$ - нуль, и $0_1+0_2=0_2$, так как $0_1$ нуль, следовательно, $0_1=0_2=0_1+0_2$
  2. Пусть существует $x\in\mathbb{R}$ такой, что для него существует два противоположных элемента $x_1$ и $x_2$. Тогда $$x_1=x_1+0=x_1+(x+x_2)=(x_1+x)+x_2=0+x_2=x_2$$
  3. Легко видеть, что если $x=b+(-a)$, то $a+x=b$, действительно $$x=b+(-a)\Rightarrow{a}+x=a+(b+(-a))=(a+(-a))+b=0+b=b$$ Докажем теперь единственность такого $x$, действительно $$\forall{x}\in\mathbb{R}(a+x=b\Rightarrow{a}+x+(-a)=b+(-a)\Rightarrow(a+(-a))+x=b+(-a)\Rightarrow0+x=b+(-a)\Rightarrow{x}=b+(-a))$$

Утверждение 3.1.2: Следствия из аксиом умножения.

  1. В множестве $\mathbb{R}$ имеется только одна единица.
  2. $\forall{x}\in\mathbb{R}(\exists!x^{-1}\in\mathbb{R})$
  3. $\forall{a}\in\mathbb{R}\backslash\{0\},\forall{b}\in\mathbb{R}(\exists!x=b*a^{-1}:a*x=b)$

Доказательство:

  1. Пусть имеется две единицы $1_1$ и $1_2$, тогда $1_1*1_2=1_1$, так как $1_2$ единица и $1_1*1_2=1_2$, так как $1_1$ единица, следовательно, $1_1=1_2=1_1*1_2$
  2. Пусть существует $x\in\mathbb{R}$ такой, что для него имеется два обратных элемента $x_1$ и $x_2$. Тогда $$x_1=x_1*1=x_1*(x*x_2)=(x*x_1)*x_2=1*(x_2)=x_2$$
  3. Легко видеть, что если $x=b*a^{-1}$, то $a*x=b$, действительно, $$x=b*a^{-1}\Rightarrow{a}*x=a*(b*a^{-1})=(a*a^{-1})*b=1*b=b$$ Докажем теперь единственность такого $x$, действительно $$\forall{x}\in\mathbb{R}(a*x=b\Rightarrow{a}*(x*a^{-1})=b*a^{-1}\Rightarrow(a*a^{-1})*x=b*a^{-1}\Rightarrow1*x=b*a^{-1}\Rightarrow{x}=b*a^{-1})$$

Утверждение 3.1.3: Следствия аксиомы связи сложения и умножения.

  1. $\forall{x}\in\mathbb{R}(x*0=0)$
  2. $\forall{x},\forall{y}\in\mathbb{R}(x*y=0\Rightarrow(x=0\vee{y}=0))$
  3. $\forall{x}\in\mathbb{R}(-x=(-1)*x)$
  4. $\forall{x}\in\mathbb{R}((-1)*(-x)=x)$
  5. $\forall{x}\in\mathbb{R}((-x)*(-x)=x*x)$

Доказательство:

  1. $x*0=x*0+0=x*0+(x+(-x))=x*0+x*1+(-x)=x*(0+1)+(-x)=x*1+(-x)=x+(-x)=0$
  2. Пусть $x\neq0$, тогда по пункту 3 следствий из аксиом умножения $y=0*x^{-1}=0$, где последнее равенство следует из доказанного выше пункта 1. Аналогично, если $y\neq0$, то $x=0$.
  3. Из пункта 1 следует: $(-1)*x+x=(-1)*x+1*x=((-1)+1)*x=0*x=0$.
    Аналогично доказывается, что $x+(-1)*x=0$, следовательно, $(-1)*x=-x$ по определению противоположного элемента.
  4. По доказанному в пункте 3 $(-1)*(-x)=-(-x)$. Из определения противоположного элемента следует, что если $-x$ противоположный для $x$, то $x$ противоположный для $-x$, то есть $(-1)*(-x)=-(-x)=x$.
  5. Из пунктов 3 и 4 следует: $(-x)*(-x)=(-1)*x*(-x)=x*((-1)*(-x))=x*x$

Определение 3.1.2: Отношения "больше" и "меньше", положительные и отрицательный числа.
$(x<y):=(x\leq{y}\wedge{x}\neq{y})$; $(x>y):=(y\leq{x}\wedge{x}\neq{y})$
Если $x>0$, то говорят, что $x$ положительное число, если $x<0$ - отрицательное.

Лемма 3.1.1:$\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}(x<y\Leftrightarrow\neg(y\leq{x}))$

Доказательство: По определению отношения "меньше" надо доказать, что $x\leq{y}\wedge{x}\neq{y}\Leftrightarrow\neg(y\leq{x})$.
$\Rightarrow)$ Предположим противное: $x\leq{y}\wedge{x}\neq{y}\wedge{y}\leq{x}$, тогда по аксиоме $2^<$ $x=y\wedge{x}\neq{y}$.
$\Leftarrow)$ По аксиоме $1^<$ $\neg(y\leq{x})\Rightarrow{x}\neq{y}$ и по аксиоме $4^<$ $\neg(y\leq{x})\Rightarrow{x}\leq{y}$


Утверждение 3.1.4: Следствия из аксиом порядка.

  1. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}(x<y\vee{x}=y\vee{y}<x)$
  2. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R},\forall{z}\in\mathbb{R}((x<y\wedge{y}\leq{z})\Rightarrow{x}<z)$

Доказательство:

  1. Докажем от противного, предположим, что верно $\neg(x<y\vee{x}=y\vee{y}<x)$, тогда $$\neg(x<y\vee{x}=y\vee{y}<x)\Leftrightarrow(\neg(x<y)\wedge{x}\neq{y}\wedge(\neg(y<x)))$$ Применив определение отношения "<" и дистрибутивность конъюнкции относительно дизъюнкции получим $$(\neg(x<y)\wedge{x}\neq{y})\Leftrightarrow(\neg(x\leq{y}\wedge{x}\neq{y})\wedge{x}\neq{y})\Leftrightarrow((\neg(x\leq{y})\vee{x}=y)\wedge{x}\neq{y}) \Leftrightarrow((\neg(x\leq{y})\wedge{x}\neq{y})\vee(x=y\wedge{x}\neq{y}))\Rightarrow\neg(x\leq{y})$$ Аналогично показывается, то из $\neg(y<x)\wedge{x}\neq{y}$ следует $\neg(y\leq{x})$, то есть $$\neg(x<y\vee{x}=y\vee{y}<x)\Leftrightarrow(\neg(x<y)\wedge{x}\neq{y}\wedge(\neg(y<x)))\Rightarrow(\neg(x\leq{y})\wedge\neg(y\leq{x})),$$ где последнее выражение противоречит четвертой аксиоме порядка.
  2. То что $x\leq{z}$ очевидно следует из определения отношения "<" и транзитивности отношения "$\leq$".
    Осталось доказать, что $x\neq{z}$. Если предположить, что $x=z$, то получим $$(z<y\wedge{y}\leq{z})\Leftrightarrow(z\neq{y}\wedge{z}\leq{y}\wedge{y}\leq{z})\Leftrightarrow(z\neq{y}\wedge{z}=y)\Leftrightarrow0$$

Утверждение 3.1.5: Следствие аксиом связи порядка со сложением и умножением.

  1. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}(x<y\Rightarrow\forall{z}\in\mathbb{R}(x+z<y+z))$
  2. $\forall{x}\in\mathbb{R}(0<x\Rightarrow{-x}<0)$
  3. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R},\forall{z}\in\mathbb{R},\forall{w}\in\mathbb{R}((x\leq{y}\wedge{z}\leq{w})\Rightarrow{x}+z\leq{y}+w)$
  4. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}((0<x\wedge0<y)\Rightarrow0<x*y)$
  5. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}((0<x\wedge{y}<0)\Rightarrow{x}*y<0)$
  6. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R},\forall{z}\in\mathbb{R}((x<y\wedge0<z)\Rightarrow{x}*z<y*z))$
  7. $0<1$
  8. $\forall{x}\in\mathbb{R},\forall{y}\in\mathbb{R}((0<x\wedge{x}<y)\Rightarrow(0<y^{-1}\wedge{y}^{-1}<x^{-1})$

Доказательство:

  1. $x<y\Rightarrow(x\leq{y}\wedge{x}\neq{y})\Rightarrow(x+z\leq{y}+z\wedge{x}+z\neq{y}+z)\Rightarrow{x}+z<{y}+z)$.
  2. $0<x\Rightarrow0+(-x)<x+(-x)\Rightarrow{-x}<0$.
  3. $(x\leq{y}\wedge{z}\leq{w})\Rightarrow(x+z\leq{y}+z\wedge{y}+z\leq{y}+w)\Rightarrow{x}+z\leq{y}+w$.
  4. $(0<x\wedge0<y)\Rightarrow(0\leq{x}\wedge0\leq{y}\wedge0\neq{x}\wedge0\neq{y})\Rightarrow(0\leq{x}*y\wedge0\neq{x}\wedge0\neq{y})$ Где последняя импликация по аксиоме II, III. Для доказательства требуемого утверждение осталось показать, что $(0\neq{x}\wedge0\neq{y})\Rightarrow{x}*y\neq0$. Это верно, так как противоположное утверждение $0\neq{x}\wedge0\neq{y}\wedge0=x*y$ противоречит пункту 2 утверждения 3.1.3
  5. $(0<x\wedge{y}<0)\Rightarrow(0<x\wedge0<(-y))\Rightarrow0<x*(-y)\Rightarrow0<-(x*y)\Rightarrow{x}*y<0$.
  6. $(x<y\wedge0<z\Rightarrow0<y+(-x)\wedge0<z)\Rightarrow0<(y+(-x))*z\Rightarrow0<y*z+(-x)*z\Rightarrow 0<y*z+(-(x*z))\Rightarrow{x}*z<y*z$.
  7. В пункте 1 утверждения 3.1.4 было показано, что из $\neg(x<y)\wedge{x}\neq{y}$ следует $\neg(x\leq{y})$, тогда если предположить утверждение противоположное доказываемому, то получим $$(\neg(1<0)\wedge0\neq1)\Rightarrow\neg(0\leq1)\Rightarrow(1\leq0)\Leftrightarrow0\leq(-1)\Leftrightarrow0\leq(-1)*(-1)=1$$ Таким образом $$(\neg(0<1)\wedge0\neq1)\Rightarrow(1\leq0\wedge0\leq1)\Rightarrow1=0$$
  8. Докажем, что $0<x\Rightarrow0<x^{-1}$, действительно $$x*x^{-1}=1\neq0\Rightarrow{x}^{-1}\neq0,$$ а если предположить, что $x^{-1}<0$, то $$(x^{-1}<0\wedge0<x)\Rightarrow(x*x^{-1})<0\Rightarrow1<0$$ следовательно по пункту 1 утверждения 3.1.4 остается только одна альтернатива $0<x^{-1}$. Докажем теперь, что $(0<x\wedge{x}<y)\Rightarrow{y}^{-1}<x^{-1}$, действительно $$(0<x\wedge{x}<y)\wedge(0<x^{-1}\wedge0<y^{-1}\wedge{x}<y)\Rightarrow(0<x^{-1}*y^{-1}\wedge{x}<y)\Rightarrow {x}*x^{-1}*y^{-1}<y*x^{-1}*y^{-1}<y^{-1}<x^{-1}$$
3.1.3 Аксиома полноты и существование верхней (нижней) грани числового множества.
Везде далее под числовым множеством понимается подмножество множества действительных чисел $\mathbb{R}$.

Определение 3.1.3: Отношение больше или равно.
Будем говорить, что упорядоченная пара $(a,b)\in\mathbb{R}^2$ принадлежит отношению "больше или равно", тогда и только тогда, когда $b\leq{a}$. Если пара $(a,b)$ принадлежит отношению "больше или равно", то говорят, что "$a$ больше или равно $b$" и обозначают $a\geq{b}$.

Определение 3.1.4: Мажоранта и миноранта числового множества.
Будем говорить, что непустое множество $X\subset\mathbb{R}$ ограничено сверху если существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что для любого $x\in{X}$: $x\leq{c}$. Число $c$ в этом случае называется верхней границей или мажорантой множества $X$.

Будем говорить, что непустое множество $X\subset\mathbb{R}$ ограничено снизу если существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что для любого $x\in{X}$: $x\geq{c}$. Число $c$ в этом случае называется нижней границей или минорантой множества $X$.

Определение 3.1.5: Множество ограниченное одновременно и сверху и снизу будем называть ограниченным.
Как правило для пустого множества все свойства бессодержательны, так что будем считать пустое множество ограниченным.

Определение 3.1.6: Максимум и минимум числового множества.
Пусть $X$ непустое подмножество $\mathbb{R}$. Будем говорить, что число $a\in{X}$ является наибольшим в множестве $X$ или максимумом множества $X$, если для любого $x\in{X}$: $x\leq{a}$.
Будем говорить, что число $a\in{X}$ является наименьшим в множестве $X$ или минимумом множества $X$, если для любого $x\in{X}$: $x\geq{a}$

Если у множества есть максимальный элемент, то он единственен. Действительно, пусть у множества $X\subset\mathbb{R}$ есть два максимальных элемента $x_1\in{X}$ и $x_2\in{X}$, тогда $x_1\leq{x_2}$, так как $x_2$ максимальный и $x_2\leq{x_1}$, так как $x_1$ максимальный. Следовательно по аксиоме $2^\leq$ $x_1=x_2$. Аналогично показывается единственность минимального элемента множества.
Если в множестве есть максимальный элемент, то оно ограничено сверху, так как максимальный элемент является мажорантой.
Если в множестве есть минимальный элемент, то оно ограничено снизу, так как минимальный элемент является минорантой.

Определение 3.1.7: Верхняя и нижняя грань числового множества.
Если $X$ не пустое ограниченное сверху числовое множество, тогда наименьшую из мажорант этого множества называют его точной верхней гранью или супремумом и обозначают $\sup{X}$. То есть $$(c=\sup{X}):=(\forall{x}\in{X}(x\leq{c}))\wedge(\forall{c'}<c\:\exists{x}=x(c')\in{X}:c'<x)$$ Если $X$ не пустое ограниченное сверху числовое множество, тогда наибольшую из минорант этого множества называют его точной нижний гранью или инфинумом и обозначают $\inf{X}$. То есть $$(c=\inf{X}):=(\forall{x}\in{X}(c\leq{x}))\wedge(\forall{c'}>c\:\exists{x}=x(c')\in{X}:c'>x)$$

Определение 3.1.7 требует оправдания, так как в нём пропущен вопрос о существовании точной верхней и нижней грани. Надо дать гарантию, что во множестве всех мажорант произвольного ограниченного числового множества существует минимальный элемент, а в множестве всех минорант максимальный. В сформулированных ниже леммах гарантия дается.

Лемма 3.1.2: Принцип верхней грани.
Всякое не пустое ограниченное сверху подмножество действительных чисел имеет, и при том единственную верхнюю грань.

Доказательство: Пусть $X\subset\mathbb{R}$, $X\neq\varnothing$, $X$ - ограничено сверху.
$Y:=\{y\in\mathbb{R}\:|\:\forall{x}\in{X}(x\leq{y})\}$ - множество всех мажорант множества $X$.
Ограниченность сверху множества $X$ гарантирует, что множество $Y$ не пусто. Таким образом имеем $X\subset\mathbb{R}$, $Y\subset\mathbb{R}$ и для любых $x\in{X}$, $y\in{Y}$ $x\leq{y}$, следовательно, по аксиоме полноты существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что для любых $x\in{X}$, $y\in{Y}$ $x\leq{c}\leq{y}$. Таким образом число $c$ является мажорантой множества $X$, следовательно, принадлежит множеству $Y$ и является его минимумом, то есть является точной верхней гранью множества $X$. Единственность точной верхней грани следует из единственности минимального элемента множества $Y$.

Лемма 3.1.3: Принцип нижней грани.
Всякое не пустое ограниченное снизу подмножество действительных чисел имеет, и при том единственную нижнюю грань.

Доказательство: Доказательство аналогично доказательству леммы 3.1.3. Точная нижняя грань - это максимальный элемент в множестве минорант. Существование максимума гарантируется аксиомой полноты.

Если в множестве есть максимальный (минимальный) элемент, то он будет супремумом (инфинумом) этого множества. $$(E\subset\mathbb{R}\wedge\exists{m}=\max{E})\Rightarrow(\forall{x}\in{E}(x\leq{m})\wedge\forall{m'}\in{E}(m'<m\Rightarrow\exists{x}=m\in{E}:m'<m))$$

Задача 3.1.1: $X:=\{x\in\mathbb{R}\:|\:0<x<1\}$
Доказать, что

  1. $\sup{X}=1$
  2. $\inf{X}=0$

Решение:

  1. Число $1$ является мажорантой множества $X$ по условию. Докажем, что это минимальная мажоранта.
    Предположим, что существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что $0<c<1$ и для любого $x\in{X}$ $x\leq{c}$.
    Рассмотрим число $a=(c+1)*2^{-1}>0$, где $2:=1+1$, тогда: $$c<1\Leftrightarrow{c}+c<c+1\Leftrightarrow{c}*(1+1)<c+1\Leftrightarrow{c}*2*2^{-1}<(c+1)*2^{-1}\Leftrightarrow{c}<a$$ $$c<1\Leftrightarrow{c}+1<1+1\Leftrightarrow({c}+1)*2^{-1}<2*2^{-1}\Leftrightarrow{a}<1\Rightarrow{a}\in{X}$$ Таким образом число $a$ принадлежит множеству $X$ и $c<a$, следовательно, $c$ не может быть мажорантой множества $X$.
  2. Число $0$ является минорантой множества $X$ по условию. Докажем, что это максимальная миноранта.
    Предположим, что существует $c\in\mathbb{R}$ такое, что $0<c<1$ и для любого $x\in{X}$ $c\leq{x}$
    Рассмотрим число $a:=c*2^{-1}>0$ $$c<0\Rightarrow{c}<c+c=2*c\Rightarrow{a}=c*2^{-1}<c$$ Таким образом число $a$ принадлежит множеству $X$ и $a<c$, следовательно, $c$ не может быть минорантой множества $X$
previous contents next