1.绝对值不等式的本质(1.2.5)
2.德·摩根律在无穷情况下的推广(1.2.12)
3.施罗德-伯恩斯坦双射定理(1.4.13)
4.二维可数集的构造(1.4.8)
附录:ff 的通项公式

实数

习题 1.2 预备知识

"练习 1.2.1"

(a) 证明 3\sqrt{3} 是无理数。类似的论证是否适用于证明 6\sqrt{6} 是无理数?

(b) 如果我们尝试用定理1.1.1的证明来证明 4\sqrt{4} 是无理数,证明在何处会失效?

(a) 使用反证的方式。假设存在互素整数 p,qp,q 满足 p/q=3p/q=\sqrt{3},那么 p2=3q2p^2=3q^2,pp 是 33 的倍数,因此 qq 也是 33 的倍数,这与 p,qp,q 互素的假设矛盾。所以 3\sqrt{3} 是无理数。

6\sqrt{6} 可以用同样的方式证明。

(b) 使用同样的方式,得到 p2=4q2p^2=4q^2,但此时只能得到 pp 是 22 的倍数,于是可得到 q=1q=1,这样不会产生矛盾。


"练习 1.2.2"

判断以下哪些陈述正确地描述了集合的性质。对于任何错误的陈述,提供一个具体的例子说明该陈述不成立。

(a) 如果 A1⊇A2⊇A3⊇A4⋯{A}_{1} \supseteq {A}_{2} \supseteq {A}_{3} \supseteq {A}_{4}\cdots 都是包含无限多个元素的集合,那么它们的交集 ∩n=1∞An{ \cap }_{n = 1}^{\infty }{A}_{n} 也是无限的。

(b) 如果 A1⊇A2⊇A3⊇A4⋯{A}_{1} \supseteq {A}_{2} \supseteq {A}_{3} \supseteq {A}_{4}\cdots 都是有限的、非空的实数集,那么它们的交集 ∩n=1∞An{ \cap }_{n = 1}^{\infty }{A}_{n} 是有限且非空的。

(c) A∩(B∪C)=(A∩B)∪CA \cap \left( {B \cup C}\right) = \left( {A \cap B}\right) \cup C .

(d) A∩(B∩C)=(A∩B)∩CA \cap \left( {B \cap C}\right) = \left( {A \cap B}\right) \cap C .

(e) A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)A \cap \left( {B \cup C}\right) = \left( {A \cap B}\right) \cup \left( {A \cap C}\right) .

(a) 这是可能不正确的。例如定义

An={x∈N:x≥n}A_n=\left\{x\in \mathbb{N}:x\geq n\right\}

则有

⋂n=1∞An=∅\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}{A_n}=\varnothing

(b) 这是正确的。证明它的关键是找到一个元素 xx 使 x∈⋂n=1∞Anx\in \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}{A_n}。

尝试从有限非空的定义入手。与 (a) 问的区别在于,本题中 An+1A_{n+1} 的元素个数总是不大于 AnA_n 的元素个数的。所以,从限制元素个数的角度入手,对某一 k∈Z+k\in \mathbb{Z^+},

Ak={x1,x2,...,xp}A_k=\left\{x_1,x_2,...,x_p\right\}

不妨设 ∃ n∈Z+\exists \ n\in \mathbb{Z^+} 使 ∀ i∈{1,2,...,p}\forall\ i\in \left\{1,2,...,p\right\} 都有 xi∉Anx_i\notin A_n,此时 An⊆AkA_n\subseteq A_k, 所以 An=∅A_n=\varnothing,这与其非空的事实矛盾。所以对 ∀ n∈Z+\forall\ n\in \mathbb{Z^+} 都 ∃ i∈{1,2,...,p}\exists \ i\in \left\{1,2,...,p\right\} 使得 xi∈Anx_i\in A_n,这就证明了 ⋂n=1∞An\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}{A_n} 的非空性,又有限集合的交集是有限的,故它是有限非空的。

(c) 错误的。事实上左侧表达的是 x∈A∩Bx\in A\cap B 或 x∈A∩Cx\in A\cap C,右侧表达的是 x∈A∩Bx\in A\cap B 或 x∈Cx\in C, 左侧是右侧的子集。

(d) 正确的。两者的元素都是同时属于三集合的元素。

(e) 正确的。


"练习 1.2.3 (德摩根定律)"

设 AA 和 BB 是 R\mathbb{R} 的子集。

(a) 如果 x∈(A∩B)cx \in {\left( A \cap B\right) }^{c} ,解释为什么 x∈Ac∪Bcx \in {A}^{c} \cup {B}^{c} 。这表明 (A∩B)c⊆{\left( A \cap B\right) }^{c} \subseteq Ac∪Bc{A}^{c} \cup {B}^{c} 。

(b) 证明反向包含 (A∩B)c⊇Ac∪Bc{\left( A \cap B\right) }^{c} \supseteq {A}^{c} \cup {B}^{c} ,并得出结论 (A∩B)c=Ac∪Bc{\left( A \cap B\right) }^{c} = {A}^{c} \cup {B}^{c} 。

(c) 通过双向包含证明 (A∪B)c=Ac∩Bc{\left( A \cup B\right) }^{c} = {A}^{c} \cap {B}^{c} 。

(a) 若 x∈(A∩B)cx\in \left(A\cap B\right)^c,则 x∉Ax\notin A 或 x∉Bx\notin B,在 x∈Rx\in \mathbb{R} 的情况下,x∈Acx\in A^c 或 x∈Bcx\in B^c,即 x∈Ac∪Bcx\in A^c\cup B^c,这说明 (A∩B)c⊆Ac∪Bc\left(A\cap B\right)^c\subseteq A^c\cup B^c。

(b) 同上反推,这样就能得到 (A∩B)c=Ac∪Bc\left(A\cap B\right)^c= A^c\cup B^c。

(c) 同理。


"练习 1.2.4"

验证在以下特殊情况下的三角不等式:

(a) aa 和 bb 具有相同的符号;

(b) a≥0,b<0a \geq 0,b < 0 ,以及 a+b≥0a + b \geq 0 。

(a) 当 a,b≥0a,b\geq 0 时,∣a∣=a|a|=a,∣b∣=b|b|=b,因此 ∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣|a+b|\leq|a|+|b| 显然成立。

当 a,b<0a,b<0 时,∣a∣=−a|a|=-a,∣b∣=−b|b|=-b,所以原式可化作 −(a+b)≤−(a+b)-(a+b)\leq-(a+b),仍然成立。

(b) a≥0a\geq 0,b<0b<0,a+b≥0a+b\geq 0 时,∣a∣=a|a|=a,∣b∣=−b|b|=-b,∣a+b∣=a+b<a−b=∣a∣+∣b∣|a+b|=a+b<a-b=|a|+|b|。


"练习 1.2.5"

使用三角不等式来建立不等式

(a) ∣a−b∣≤∣a∣+∣b∣\left| {a - b}\right| \leq \left| a\right| + \left| b\right| ;

(b) ∣∣a∣−∣b∣∣≤∣a−b∣\left| \right| a\left| -\right| b\left| \right| \leq \left| {a - b}\right| .

(a) 将 bb 替换成 −b-b,因为 ∣−b∣=∣b∣|-b|=|b|,所以 ∣a−b∣≤∣a∣+∣−b∣=∣a∣+∣b∣|a-b|\leq |a|+|-b|=|a|+|b|。

(b) 绝对值不等式的本质

这里证明不等式的关键是,∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣|a+b|\leq|a|+|b| 这个不等式左右绝对值内的数字之和是一致的,要证不等式只要满足这个形式,通过赋值就能证明。

要证 ∣∣a∣−∣b∣∣≤∣a−b∣\left||a|-|b|\right|\leq|a-b|, 其实是证明 ∣a∣−∣b∣≤∣a−b∣|a|-|b|\leq|a-b| 和 ∣b∣−∣a∣≤∣a−b∣|b|-|a|\leq|a-b|,它们变形后为 ∣a∣≤∣a−b∣+∣b∣|a|\leq|a-b|+|b| 和 ∣b∣≤∣b−a∣+∣a∣|b|\leq |b-a|+|a|,都满足前述绝对值不等式的形式。将绝对值不等式里的 aa 替换成 a−ba-b 或者是将 bb 替换成 b−ab-a,就能证明。


"练习 1.2.6"

给定一个函数 ff 及其定义域的一个子集 AA ,让 f(A)f\left( A\right) 表示 ff 在集合 AA 上的范围;即 f(A)={f(x):x∈A}f\left( A\right) = \{ f\left( x\right) : x \in A\} 。

(a) 设 f(x)=x2f\left( x\right) = {x}^{2} 。若 A=[0,2]A = \left\lbrack {0,2}\right\rbrack (闭区间 {x∈R:0≤x≤2}\{ x \in \mathbb{R} : 0 \leq x \leq 2\} )且 B=[1,4]B = \left\lbrack {1,4}\right\rbrack ,求 f(A)f\left( A\right) 和 f(B)f\left( B\right) 。在这种情况下 f(A∩B)=f(A)∩f(B)f\left( {A \cap B}\right) = f\left( A\right) \cap f\left( B\right) 是否成立? f(A∪B)=f(A)∪f(B)f\left( {A \cup B}\right) = f\left( A\right) \cup f\left( B\right) 是否成立?

(b) 找到两个集合 AA 和 BB ,使得 f(A∩B)≠f(A)∩f(B)f\left( {A \cap B}\right) \neq f\left( A\right) \cap f\left( B\right) 。

(c) 证明对于任意函数 g:R→Rg : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} ,对于所有集合 A,B⊆RA,B \subseteq \mathbb{R} , g(A∩B)⊆g(A)∩g(B)g\left( {A \cap B}\right) \subseteq g\left( A\right) \cap g\left( B\right) 总是成立。

(d) 形成并证明一个关于任意函数 gg 下 g(A∪B)g\left( {A \cup B}\right) 和 g(A)∪g(B)g\left( A\right) \cup g\left( B\right) 之间关系的猜想。

(a) f(A)=[0,4]f(A)=[0,4],f(B)=[1,16]f(B)=[1,16],A∩B=[1,2]A\cap B=[1,2],A∪B=[0,4]A\cup B=[0,4],f(A∩B)=[1,4]f(A\cap B)=[1,4],f(A)∩f(B)=[1,4]f(A)\cap f(B)=[1,4],f(A∪B)=[0,16]=f(A)∪f(B)f(A\cup B)=[0,16]=f(A)\cup f(B)。

(b) 由于 f(x)=x2f(x)=x^2 在不同的自变量取值下能得到相同的函数值,所以没有交集的集合它们的函数值是可能有交集的。例如取 A=[−2,−1]A=[-2,-1],B=[1,2]B=[1,2],A∩B=∅A\cap B=\varnothing,f(A∩B)=∅f(A\cap B)=\varnothing,f(A)∩f(B)=[1,4]f(A)\cap f(B)=[1,4],f(A∩B)≠f(A)∩f(B)f(A\cap B)\neq f(A)\cap f(B)。

(c) 由这一映射的定义,对 x∉Ax\notin A,g(x)∈g(A)g(x)\in g(A) 的情形, ∃ x1∈A\exists\ x_1\in A,g(x1)=g(x)g(x_1)=g(x)。所以对于这个问题,只需讨论 A∪BA\cup B 中的 xx 即可。

由定义,A∩BA\cap B 中的全体 xx 所对应的 g(x)g(x) 组成 g(A∩B)g(A\cap B),AA 中的全体 xx 所对应的 g(x)g(x) 组成 g(A)g(A),BB 中的全体 xx 所对应的 g(x)g(x) 组成 g(B)g(B)。所以 g(A∩B)⊆g(A)g(A\cap B)\subseteq g(A) 且 g(A∩B)⊆g(B)g(A\cap B)\subseteq g(B),从而 g(A∩B)⊆g(A)∩g(B)g(A\cap B)\subseteq g(A)\cap g(B)。

顺带附加说明这个式子在相反方向是不成立的。由 (b) 问的灵感,令 x1∈A∖Bx_1\in A\setminus B,x2∈Bx_2\in B,若 g(x1)=g(x2)g(x_1)=g(x_2),由于 g(x1)∈g(A)g(x_1)\in g(A),g(x2)∈g(B)g(x_2)\in g(B),此时可得 g(x1)∉g(A∩B)g(x_1)\notin g(A\cap B) 但是 g(x1)∈g(A)∩g(B)g(x_1)\in g(A)\cap g(B),所以 g(A∩B)⊈g(A)∩g(B)g(A\cap B)\not\subseteq g(A)\cap g(B)。

(d) g(A∪B)=g(A)∪g(B)g(A\cup B)=g(A)\cup g(B)。

同 (c) 问,只需考虑 A∪BA\cup B 中的元素即可。令 x∈A∪Bx\in A\cup B,若 x∈Ax\in A,则 g(x)∈g(A)g(x)\in g(A),所以 g(x)∈g(A)∪g(B)g(x)\in g(A)\cup g(B);若 x∈Bx\in B,同理可得 g(x)∈g(A)∪g(B)g(x)\in g(A)\cup g(B)。所以 g(A∪B)⊆g(A)∪g(B)g(A\cup B)\subseteq g(A)\cup g(B)。

对于相反方向的情况,若 g(x)∈g(A)∪g(B)g(x)\in g(A)\cup g(B),则 g(x)g(x) 必定来自于 g(A)g(A) 或 g(B)g(B),所以 xx 必定来自于 A∪BA\cup B,这就证明了 g(A)∪g(B)⊆g(A∪B)g(A)\cup g(B)\subseteq g(A\cup B)。

所以 g(A∪B)=g(A)∪g(B)g(A\cup B)=g(A)\cup g(B)。


"练习 1.2.7"

给定一个函数 f:D→Rf : D \rightarrow \mathbb{R} 和一个子集 B⊆RB \subseteq \mathbb{R} ,令 f−1(B){f}^{-1}\left( B\right) 为定义域 DD 中所有被映射到 BB 的点的集合;即 f−1(B)={x∈D:f(x)∈B}{f}^{-1}\left( B\right) = \{ x \in D : f\left( x\right) \in B\} 。这个集合被称为 BB 的原像。

(a) 设 f(x)=x2f\left( x\right) = {x}^{2} 。如果 AA 是闭区间 [0,4]\left\lbrack {0,4}\right\rbrack 且 BB 是闭区间 [−1,1]\left\lbrack {-1,1}\right\rbrack ,求 f−1(A){f}^{-1}\left( A\right) 和 f−1(B){f}^{-1}\left( B\right) 。在这种情况下, f−1(A∩B)=f−1(A)∩f−1(B){f}^{-1}\left( {A \cap B}\right) = {f}^{-1}\left( A\right) \cap {f}^{-1}\left( B\right) 成立吗? f−1(A∪B)=f−1(A)∪f−1(B){f}^{-1}\left( {A \cup B}\right) = {f}^{-1}\left( A\right) \cup {f}^{-1}\left( B\right) 成立吗?

(b) 在(a)中展示的原像的良好行为是完全普遍的。证明对于任意函数 g:R→Rg : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} ,对于所有集合 A,B⊆RA,B \subseteq \mathbb{R} , g−1(A∩B)=g−1(A)∩g−1(B){g}^{-1}\left( {A \cap B}\right) = {g}^{-1}\left( A\right) \cap {g}^{-1}\left( B\right) 和 g−1(A∪B)=g−1(A)∪g−1(B){g}^{-1}\left( {A \cup B}\right) = {g}^{-1}\left( A\right) \cup {g}^{-1}\left( B\right) 总是成立。

(a) A∩B=[0,1]A\cap B=[0,1],A∪B=[−1,4]A\cup B=[-1,4]。f−1(A)=[−2,2]f^{-1}(A)=[-2,2],f−1(B)=[−1,1]f^{-1}(B)=[-1,1],f−1(A∩B)=[−1,1]f^{-1}(A\cap B)=[-1,1],f−1(A∪B)=[−2,2]f^{-1}(A\cup B)=[-2,2]。

所以 f−1(A∩B)=f−1(A)∩f−1(B)f^{-1}(A\cap B)=f^{-1}(A)\cap f^{-1}(B),(1)(1)

f−1(A∪B)=f−1(A)∪f−1(B)f^{-1}(A\cup B)=f^{-1}(A)\cup f^{-1}(B)。(2)(2)

(b) 我们要证明对任意的 g:R→Rg:\mathbb{R}\to \mathbb{R}, 公式 (1)(1) 和 (2)(2) 仍然成立。

对于 (1)(1),我们有:

x∈g−1(A∩B)  ⟺  g(x)∈A∩B  ⟺  g(x)∈A 且 g(x)∈B  ⟺  x∈g−1(A) 且 x∈g−1(B)  ⟺  x∈g−1(A)∩g−1(B)x\in g^{-1}(A\cap B) \iff g(x)\in A\cap B \iff g(x)\in A \text{ 且 } g(x)\in B \iff x\in g^{-1}(A) \text{ 且 } x\in g^{-1}(B) \iff x\in g^{-1}(A)\cap g^{-1}(B)

所以 g−1(A∩B)=g−1(A)∩g−1(B)g^{-1}(A\cap B)=g^{-1}(A)\cap g^{-1}(B)。

同理可得 g−1(A∪B)=g−1(A)∪g−1(B)g^{-1}(A\cup B)=g^{-1}(A)\cup g^{-1}(B)。

顺带说明此题和 1.2.6.1.2.6. 结论的区别。事实上这关乎映射的单射性质。x↦f(x)x\mapsto f(x) 不一定是一个单射,而 f(x)↦xf(x)\mapsto x 一定是一个单射。 事实上,如果是一个单射,那么上述的两个公式将会成立。证明如下:

如果 ff 是一个单射,那么对于 ∀ x∉A\forall\ x\notin A,f(x)∉f(A)f(x)\notin f(A)。 从而 f(x)∈f(A)  ⟺  x∈Af(x)\in f(A)\iff x\in A。所以 f(x)∈f(A∩B)  ⟺  x∈A∩B  ⟺  f(x)∈f(A)∩f(B)f(x)\in f(A\cap B)\iff x\in A\cap B\iff f(x)\in f(A)\cap f(B)。f(x)∈f(A∪B)  ⟺  x∈A∪B  ⟺  f(x)∈f(A)∪f(B)f(x)\in f(A\cup B)\iff x\in A\cup B\iff f(x)\in f(A)\cup f(B)。

所以有 f(A∩B)=f(A)∩f(B)f(A\cap B)=f(A)\cap f(B),f(A∪B)=f(A)∪f(B)f(A\cup B)=f(A)\cup f(B)。


"练习 1.2.8"

形成每个命题的逻辑否定。一种方法是在每个断言前简单地加上“情况并非如此……”,但对于每个陈述,尝试将“不”这个词尽可能深入地嵌入到结果句子中(或完全避免使用它)。

(a) 对于所有满足 a<ba < b 的实数,存在一个 n∈Nn \in \mathbb{N} 使得 a+1/n<ba + 1/n < b 。

(b) 在每两个不同的实数之间,存在一个有理数。

(c) 对于所有自然数 n∈N,nn \in \mathbb{N},\sqrt{n} ,它要么是自然数,要么是无理数。

(d) 给定任何实数 x∈Rx \in \mathbb{R} ,存在 n∈Nn \in \mathbb{N} 满足 n>xn > x 。

(a) 存在两个实数 a<ba<b,对任意 n∈Nn\in \mathbb{N},a+1/n≥ba+1/n\geq b。

(b) 存在两个实数,它们中间没有有理数。

(c) 存在 n∈Nn\in \mathbb{N},n\sqrt{n} 既不是自然数,也不是无理数。

(d) 存在 x∈Rx\in \mathbb{R},对 ∀ n∈N\forall\ n\in \mathbb{N},n≤xn\leq x。


"练习 1.2.9"

证明在例1.2.7中定义的序列 (x1,x2,x3,…)\left( {{x}_{1},{x}_{2},{x}_{3},\ldots }\right) 以2为上界;即,证明对于每个 n∈Nn \in \mathbb{N} , xn≤2{x}_{n} \leq 2 成立。

使用数学归纳法进行证明。假设 xn≤2x_n\leq 2,则 xn+1=(1/2)xn+1≤2x_{n+1}=(1/2)x_n+1\leq 2。

又因为 x1=1≤2x_1=1\leq 2,所以对任意 n∈Nn\in \mathbb{N},都有 xn≤2x_n\leq 2。


"练习 1.2.10"

设 y1=1{y}_{1} = 1 ,并且对于每个 n∈Nn \in \mathbb{N} 定义 yn+1=(3yn+4)/4{y}_{n + 1} = \left( {3{y}_{n} + 4}\right) /4 。

(a) 使用归纳法证明该序列对所有 n∈Nn \in \mathbb{N} 满足 yn<4{y}_{n} < 4 。

(b) 使用另一个归纳论证来证明序列 (y1,y2,y3,…)\left( {{y}_{1},{y}_{2},{y}_{3},\ldots }\right) 是递增的。

(a) 同上,假设 yn<4y_n<4,则 yn+1=(3yn+4)/4<4y_{n+1}=(3y_n+4)/4<4。又 y1=1y_1=1,故成立。

(b) 假设 yn+1>yny_{n+1}>y_n,则 yn+2−yn+1=(3yn+1+4)/4−(3yn+4)/4=3(yn+1−yn)/4>0y_{n+2}-y_{n+1}=(3y_{n+1}+4)/4-(3y_n+4)/4=3(y_{n+1}-y_n)/4>0,所以 yn+2>yn+1y_{n+2}>y_{n+1}。

又因为 y2=7/4>y1y_2=7/4>y_1,所以 yny_n 是递增的。


"练习 1.2.11"

如果一个集合 AA 包含 nn 个元素,证明 AA 的不同子集的数量等于 2n{2}^{n} 。(请记住,空集 ∅\varnothing 被认为是每个集合的子集。)

任何一个元素在子集中都有存在/不存在的两种可能性,所以有 2n2^n 个子集。


"练习 1.2.12"

对于本练习,假设练习 1.2.3 已成功完成。

(a) 展示如何使用归纳法得出结论
(A1∪A2∪⋯∪An)c=A1c∩A2c∩⋯∩Anc{\left( {A}_{1} \cup {A}_{2} \cup \cdots \cup {A}_{n}\right) }^{c} = {A}_{1}^{c} \cap {A}_{2}^{c} \cap \cdots \cap {A}_{n}^{c}
对于任何有限的 n∈Nn \in \mathbb{N} 。

(b) 解释为什么不能使用归纳法得出结论
(⋃n=1∞An)c=⋂n=1∞Anc{\left( \mathop{\bigcup }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{A}_{n}\right) }^{c} = \mathop{\bigcap }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{A}_{n}^{c}
考虑练习1.2.2的(a)部分可能有所帮助。

(c) 部分(b)中的陈述是否有效?如果有效,请写出一个不使用归纳法的证明。

(a) 若 (A1∪A2∪⋯∪An)c=A1c∩A2c∩⋯∩Anc\left(A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n\right)^c=A_1^c\cap A_2^c\cap \cdots \cap A_n^c,则有 (A1∪A2∪⋯∪An∪An+1)c=(A1∪A2∪⋯∪An)c∩An+1c=A1c∩A2c∩⋯∩Anc∩An+1c\left(A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n\cup A_{n+1}\right)^c=\left(A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n\right)^c\cap A_{n+1}^c=A_1^c\cap A_2^c\cap \cdots \cap A_n^c\cap A_{n+1}^c。又由于 n=2n=2 时是成立的,所以对任意 n∈Z+n\in \mathbb{Z^+} 都成立。

(b) 因为有限是不能直接推广到无限的。

(c) 德·摩根律在无穷情况下的推广

(⋃n=1∞An)c=⋂n=1∞Anc\left(\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n\right)^c=\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c

是成立的。

设 x∈(⋃n=1∞An)cx\in (\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n)^c,则对 ∀ n∈N\forall\ n\in \mathbb{N},x∉Anx\notin A_n,即 x∈Ancx\in A_n^c,所以 x∈⋂n=1∞Ancx\in \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c。这说明 (⋃n=1∞An)c⊆⋂n=1∞Anc(\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n)^c\subseteq \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c。

反之,设 x∈⋂n=1∞Ancx\in \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c,则对 ∀ n∈N\forall\ n\in \mathbb{N},x∈Ancx\in A_n^c,即 x∉Anx\notin A_n,所以 x∉⋃n=1∞Anx\notin \displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n,x∈(⋃n=1∞An)cx\in (\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n)^c 。这说明 ⋂n=1∞Anc⊆(⋃n=1∞An)c\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c\subseteq \left(\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n\right)^c。

综上所述,(⋃n=1∞An)c=⋂n=1∞Anc\left(\displaystyle\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n\right)^c=\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty}A_n^c。

参考资料:MSE上的证明


习题 1.3 完备性公理

"练习 1.3.1"

设 Z5={0,1,2,3,4}{\mathbb{Z}}_{5} = \{ 0,1,2,3,4\} 并定义加法和乘法模5。换句话说,计算 a+ba + b 和 ab{ab} 除以5时的整数余数,并分别将其作为和与积的值。

(a) 证明,给定任何元素 z∈Z5z \in {\mathbb{Z}}_{5} ,存在一个元素 yy ,使得 z+y=0z + y = 0 。元素 yy 称为 zz 的加法逆元。

(b) 证明,给定任意 z≠0z \neq 0 在 Z5{\mathbb{Z}}_{5} 中,存在一个元素 xx 使得 zx=1{zx} = 1 。该元素 xx 被称为 zz 的乘法逆元。

(c) 加法和乘法逆元的存在性是域定义的一部分。研究集合 Z4={0,1,2,3}{\mathbb{Z}}_{4} = \{ 0,1,2,3\} (其中加法和乘法定义为模4)中加法和乘法逆元的存在性。对 nn 的值在 Zn{\mathbb{Z}}_{n} 中存在加法逆元的情况提出一个猜想,然后对乘法逆元的存在性提出另一个猜想。

(a)(b) 显然。

(c) 加法逆元均存在,乘法逆元里 1,31,3为其本身,22 不存在。

n∈Z+n\in \mathbb{Z^+} 时 Zn\mathbb{Z_n} 均存在加法逆元;nn 为质数时 Zn\mathbb{Z_n} 均存在乘法逆元。


"练习 1.3.2"

(a) 以定义 1.3.2 的风格为集合的下确界或最大下界写一个正式定义。

(b) 现在,陈述并证明一个关于最大下界的引理 1.3.7 的版本。

(a) 称实数 ss 是集合 A⊆RA\subseteq \mathbb{R} 的最大下界, 若满足以下条件:

(i) ss 是 AA 的下界;

(ii) 若 bb 是 AA 的任一下界,则 b≤sb\leq s。

(b) 设 ss 是 A⊆RA\subseteq \mathbb{R} 的一个下界,则 s=inf⁡As=\inf A 当且仅当对 ∀ ε>0\forall\ \varepsilon>0,∃ a∈A\exists\ a\in A,s+ε>as+\varepsilon>a。


"练习 1.3.3"

(a) 设 AA 有下界,并定义 B={b∈RB = \{ b \in \mathbb{R} : bb 是 A}A\} 的下界。证明 sup⁡B=inf⁡A\sup B = \inf A 。

(b) 使用(a)解释为什么在完备性公理中不需要断言最大上界的存在。

(c) 提出另一种利用完备性公理证明有下界的集合存在最大下界的方法。

(a) 首先,对 ∀ a∈A\forall\ a\in A,∀ b∈B\forall\ b\in B,有 b≤ab\leq a,所以集合 BB 存在上界,由完备性公理,其存在上确界 sup⁡B\sup B。下证 sup⁡B=inf⁡A\sup B=\inf A。

(i) 若 a<sup⁡Ba<\sup B,则 ∃ b∈B\exists\ b \in B,a<ba<b,即 a∉Aa\notin A。所以若 a∈Aa\in A,sup⁡B≤a\sup B\leq a,这说明 sup⁡B\sup B 是 AA 的下界。

(ii) 又对 ∀ b∈B\forall\ b\in B,b≤sup⁡Bb\leq \sup B,所以 sup⁡B\sup B 是AA 的最大下界,由定义,sup⁡B=inf⁡A\sup B=\inf A。

(b) 完备性公理不需定义最大下界,直接定义下界的上确界即可。

(c) 设集合 AA 有下界,即存在 Q∈RQ\in \mathbb{R} 使得对 ∀ a∈A\forall\ a\in A,Q≤aQ\leq a。要证明它有最大下界,我们从上界入手,试着把它的下界转换成上界。

设 B={x∈R:−x∈A}B=\left\{x\in \mathbb{R}:-x\in A\right\},那么对 ∀ x∈B\forall\ x\in B,有 −x∈A-x\in A,所以 −x≥Q-x\geq Q,即 x≤−Qx\leq -Q,这说明 BB 有上界 −Q-Q。由完备性公理,BB 有上确界 sup⁡B\sup B。

(i) 对 ∀ x∈B\forall\ x\in B,x≤sup⁡Bx\leq \sup B,即 −x≥−sup⁡B-x\geq -\sup B;

(ii) 对 ∀ ε>0\forall\ \varepsilon>0,∃ x∈B\exists\ x\in B 使得 sup⁡B−ε<x\sup B-\varepsilon<x,即 −x<−sup⁡B+ε-x<-\sup B+\varepsilon。

因为 ∀ −x∈A\forall\ -x\in A,∃ x∈B\exists\ x\in B,所以上述两条性质对全体 a∈Aa\in A 都成立,所以 AA 的下确界存在,且 inf⁡A=−sup⁡B\inf A=-\sup B。


"练习 1.3.4"

假设 AA 和 BB 非空、有上界,并满足 B⊆AB \subseteq A 。证明 sup⁡B≤sup⁡A\sup B \leq \sup A 。

由题意,sup⁡A\sup A,sup⁡B\sup B 均存在。

因为 B⊆AB\subseteq A,所以对 ∀ b∈B\forall\ b\in B,b∈Ab\in A,即 b≤sup⁡Ab\leq \sup A,这说明 sup⁡A\sup A 是 BB 的一个上界,由 sup⁡B\sup B 的定义,sup⁡B≤sup⁡A\sup B\leq \sup A。


"练习 1.3.5"

设 A⊆RA \subseteq \mathbb{R} 有上界,且设 c∈Rc \in \mathbb{R} 。定义集合 c+Ac + A 和 cA{cA} 为 c+A={c+a:a∈A}c + A = \{ c + a : a \in A\} 和 cA={ca:a∈A}{cA} = \{ {ca} : a \in A\} 。

(a) 证明 sup⁡(c+A)=c+sup⁡A\sup \left( {c + A}\right) = c + \sup A 。

(b) 如果 c≥0c \geq 0 ,证明 sup⁡(cA)=csup⁡A\sup \left( {cA}\right) = c\sup A 。

(c) 对于 c<0c < 0 的情况,假设一个类似 sup⁡(cA)\sup \left( {cA}\right) 的陈述。

由题意,sup⁡A\sup A 存在。

(a) (i) 对 ∀ a∈A\forall\ a\in A,a≤sup⁡Aa\leq \sup A。所以对 ∀ x∈c+A\forall\ x\in c+A,∃ a∈A\exists\ a\in A,使得 x=c+a≤c+sup⁡Ax=c+a\leq c+\sup A,所以 c+sup⁡Ac+\sup A 是 c+Ac+A 的一个上界。

(ii) 对 ∀ ε>0\forall\ \varepsilon>0,∃ a∈A\exists\ a\in A 使得 sup⁡A−ε<a\sup A-\varepsilon<a,所以 ∃ x∈c+A\exists\ x\in c+A 使得 x=c+a>c+sup⁡A−εx=c+a>c+\sup A-\varepsilon。

所以 sup⁡(c+A)=c+sup⁡A\sup (c+A)=c+\sup A。

(b) c=0c=0 时,sup⁡(cA)=0=csup⁡A\sup (cA)=0=c\sup A,显然成立。

c>0c>0 时,(i) 对 ∀ x∈cA\forall\ x\in cA,∃ a∈A\exists\ a\in A,使得 x=ca≤csup⁡Ax=ca\leq c\sup A,所以 csup⁡Ac\sup A 是 cAcA 的一个上界。

(ii) 对 ∀ ε>0\forall\ \varepsilon>0,∃ a∈A\exists\ a\in A 使得 sup⁡A−ε<a\sup A-\varepsilon<a,所以 ∃ x∈cA\exists\ x\in cA 使得 x=ca>csup⁡A−cεx=ca>c\sup A-c\varepsilon,由 ε\varepsilon 的任意性,得证。

所以 sup⁡(cA)=csup⁡A\sup (cA)=c\sup A。

(c) c<0c<0 时,sup⁡(cA)=cinf⁡A\sup (cA)=c\inf A。通过改变不等号方向即可证明。


"练习 1.3.6"

在不证明的情况下,计算以下集合的上确界和下确界:

(a) {n∈N:n2<10}\left\{ {n \in \mathbb{N} : {n}^{2} < {10}}\right\} .

(b) {n/(m+n):m,n∈N}\{ n/\left( {m + n}\right) : m,n \in \mathbb{N}\} .

(c) {n/(2n+1):n∈N}\{ n/\left( {{2n} + 1}\right) : n \in \mathbb{N}\} .

(d) {n/m:m,n∈N\{ n/m : m,n \in \mathbb{N} 与 m+n≤10}m + n \leq {10}\} 。

(a) 上确界 33,下确界 11。

(b) 11,00。

(c) 1/21/2,1/31/3。

(d) 99,1/91/9。


"练习 1.3.7"

证明如果 aa 是 AA 的上界,并且 aa 也是 AA 的元素,那么必有 a=sup⁡Aa = \sup A 。

对任何一个上界 bb,因为 a∈Aa\in A,所以 a≤ba\leq b,这说明 a=sup⁡Aa=\sup A。


"练习 1.3.8"

如果 sup⁡A<sup⁡B\sup A < \sup B ,则证明存在一个元素 b∈Bb \in B ,它是 AA 的上界。

取 ε=(sup⁡B−sup⁡A)/2\varepsilon=(\sup B-\sup A)/2,则 ∃ b∈B\exists\ b\in B,b>sup⁡B−ε=(sup⁡B+sup⁡A)/2>sup⁡Ab>\sup B-\varepsilon=(\sup B+\sup A)/2>\sup A,所以 bb 是 AA 的一个上界。


"练习 1.3.9"

暂时不考虑形式证明,判断以下关于上确界和下确界的陈述是真还是假。对于任何错误的陈述,提供一个例子说明该主张似乎不成立。

(a) 一个有限的非空集总是包含它的上确界。

(b) 如果对于集合 AA 中的每个元素 aa ,都有 a<La < L ,那么 sup⁡A<L\sup A < L 。

(c) 如果 AA 和 BB 是具有以下性质的集合:对于每个 a∈Aa \in A 和每个 b∈Bb \in B ,都有 a<ba < b ,那么可以得出 sup⁡A<inf⁡B\sup A < \inf B 。

(d) 如果 sup⁡A=s\sup A = s 且 sup⁡B=t\sup B = t ,则 sup⁡(A+B)=s+t\sup \left( {A + B}\right) = s + t 。集合 A+BA + B 定义为 A+B={a+b:a∈AA + B = \{ a + b : a \in A 和 b∈B}b \in B\} 。

(e) 如果 sup⁡A≤sup⁡B\sup A \leq \sup B ,则存在一个元素 b∈Bb \in B ,它是 AA 的上界。

(a) 真。

(b) 假。考虑 A={x∈Q:x2<2}A=\left\{x\in \mathbb{Q}: x^2<2\right\},其内的任意元素都小于 2\sqrt{2},但是 sup⁡A=2\sup A=\sqrt{2}。

(c) 假。 考虑 (b) 中的 AA 和 B={x∈Q:x2>2,x>0}B=\left\{x\in \mathbb{Q}: x^2>2,x>0\right\},则对 ∀ a∈A,b∈B\forall\ a\in A,b\in B 有 a<ba<b,但是 sup⁡A=inf⁡B=2\sup A=\inf B=\sqrt{2}。

(d) 真。

(e) 假。考虑 (b) 中的 AA,令 B=AB=A,则 sup⁡B=sup⁡A\sup B=\sup A,此时不存在 b∈Bb\in B,使得 b≥sup⁡Ab\geq \sup A。


习题 1.4 完备性的推论

"练习 1.4.1"

在不做太多工作的情况下,展示如何通过将此情况转换为已证明的情况来证明定理1.4.3。

a<0<ba<0<b 时,00 即为答案。

a<b≤0a<b\leq 0 时,化成 0≤−b<−a0\leq -b<-a 即可转化为前述情况证明。


"练习 1.4.2"

回想一下, R∖Q\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} 代表无理数集。

(a) 证明如果 a,b∈Qa,b \in \mathbb{Q} ,那么 ab{ab} 和 a+ba + b 也是 Q\mathbb{Q} 的元素。

(b) 证明如果 a∈Qa \in \mathbb{Q} 和 t∈R∖Qt \in \mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} ,那么只要 a≠0a \neq 0 , a+t∈R∖Qa + t \in \mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} 和 at∈R∖Q{at} \in \mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} 也成立。

(c) 部分 (a) 可以总结为 Q\mathbb{Q} 在加法和乘法下是封闭的。 R∖Q\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} 在加法和乘法下是否封闭?给定两个无理数 ss 和 tt ,我们可以对 s+ts + t 和 st{st} 说些什么?

(a) 由于 a,b∈Qa,b\in \mathbb{Q},那么可令 a=p1/q1a=p_1/q_1,b=p2/q2b=p_2/q_2,那么 a+b=(p1q2+p2q1)/q1q2∈Qa+b=(p_1q_2+p_2q_1)/q_1q_2\in \mathbb{Q},同理 ab∈Qab\in \mathbb{Q}。

(b) 由 (a)(a),若 a+t∈Qa+t\in \mathbb{Q},则 t=(a+t)−a∈Qt=(a+t)-a\in \mathbb{Q},所以 a+t∈R\Qa+t\in \mathbb{R}\backslash\mathbb{Q},同理 at∈R\Qat\in \mathbb{R}\backslash\mathbb{Q}。

(c) R\Q\mathbb{R}\backslash \mathbb{Q} 在加法和乘法下不封闭,更精确地说,无理数的运算结果可能是有理数。


"练习 1.4.3"

使用练习 1.4.2,通过将定理 1.4.3 应用于实数 a−2a - \sqrt{2} 和 b−2b - \sqrt{2} ,为推论 1.4.4 提供一个证明。

任意两个实数 a,ba,b 之中必有一个有理数 qq,使得 a<q<ba<q<b。

所以 a−2<q−2<b−2a-\sqrt{2}<q-\sqrt{2}<b-\sqrt{2},由 1.4.2.1.4.2. 可知 q−2q-\sqrt{2} 是无理数。


"练习 1.4.4"

使用 R\mathbb{R} 的阿基米德性质来严格证明 inf⁡{1/n:n∈N}=0\inf \{ 1/n : n \in \mathbb{N}\} = 0 。

首先,对于 ∀ n∈Z+\forall\ n\in \mathbb{Z^+},有 0<1/n0<1/n,所以 00 是 {1/n:n∈Z+}\{1/n:n\in \mathbb{Z^+}\} 的一个下界。

下面证明 00 是下确界。事实上由实数的阿基米德性,对 ∀ y>0\forall\ y>0,∃ n∈Z+\exists\ n\in \mathbb{Z^+},1/n<y1/n<y,所以任何比 00 大的数都不是下界,即 00 是下确界。


"练习 1.4.5"

证明 ⋂n=1∞(0,1/n)=∅\mathop{\bigcap }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\left( {0,1/n}\right) = \varnothing 。注意,这表明闭区间套定理中的区间必须是闭的,以便定理的结论成立。

由阿基米德性的结论即可知对 ∀ y>0\forall\ y>0,y∉⋂n=1∞(0,1/n)y\notin \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty} (0,1/n)。所以 ⋂n=1∞(0,1/n)=∅\displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty} (0,1/n)=\varnothing。


"练习 1.4.6"

(a) 通过展示假设 α2>2{\alpha }^{2} > 2 导致与事实 α=sup⁡T\alpha = \sup T 矛盾的结论,完成定理1.4.5的证明。

(b) 修改此论证以证明对于任何实数 b≥0b \geq 0 , b\sqrt{b} 的存在性。

(a) 若 α2>2\alpha^2>2,对 n∈N+n\in \mathbb{N}^+,取 (α−1/n)2=α2−2α/n+1/n2>α2−2α/n>2(\alpha-1/n)^2=\alpha^2-2\alpha/n+1/n^2>\alpha^2-2\alpha/n>2,得 n>2α/(α2−2)n>2\alpha/(\alpha^2-2),所以 α−1/n\alpha-1/n 也是 TT 的上界,矛盾。

这里默认了 α>0\alpha>0。

(b) b=0b=0 时是显然成立的。

b>0b>0 时,考虑集合 T={t>0:t2<b}T=\{t>0:t^2<b\}。b<1b<1 时,b∈Tb\in T 且 11 是 TT 的上界,所以 sup⁡T\sup T 存在。b≥1b\geq 1 同理可得其存在性。

令 x=sup⁡Tx=\sup T,下面证明 x2=bx^2=b。

(i) 若 x2<bx^2<b,对 n∈N+n\in \mathbb{N}^+,取 (x+1/n)2=x2+2x/n+1/n2<x2+(2x+1)/n<b(x+1/n)^2=x^2+2x/n+1/n^2<x^2+(2x+1)/n<b,得 n>(2x+1)/(b−x2)n>(2x+1)/(b-x^2),即 x+1/nx+1/n 可能属于 TT,矛盾。

(ii) 若 x2>bx^2>b,对 n∈N+n\in \mathbb{N}^+,取 (x−1/n)2=x2−2x/n+1/n2>x2−2x/n>b(x-1/n)^2=x^2-2x/n+1/n^2>x^2-2x/n>b,得 n>2x/(x2−b)n>2x/(x^2-b),即 x−1/nx-1/n 是 TT 的上界,矛盾。

所以 x2=bx^2=b。即 x=bx=\sqrt{b}。


"练习 1.4.7"

完成定理1.4.12的以下证明。

假设 BB 是一个可数集。因此,存在 f:N→Bf : \mathbb{N} \rightarrow B ,它是 1−11 - 1 且满射。设 A⊆BA \subseteq B 是 BB 的一个无限子集。我们必须证明 AA 是可数的。

设 n1=min⁡{n∈N:f(n)∈A}{n}_{1} = \min \{ n \in \mathbb{N} : f\left( n\right) \in A\} 。作为 g:N→Ag : \mathbb{N} \rightarrow A 定义的开端,设 g(1)=f(n1)g\left( 1\right) = f\left( {n}_{1}\right) 。展示如何归纳地继续这个过程,以生成一个从 N\mathbb{N} 到 AA 的一对一函数 gg 。

设 n2=min⁡{n∈N+:f(n)∈A,n>n1}n_2=\min \{n\in \mathbb{N}^+:f(n)\in A,n>n_1\},令 g(2)=f(n2)g(2)=f(n_2)。

以此类推,对于 g(k)=f(nk)g(k)=f(n_k),由于 AA 是无限集,所以总存在 nk+1=min⁡{n∈N+:f(n)∈A,n>nk}n_{k+1}=\min \{n\in \mathbb{N}^+:f(n)\in A,n>n_k\},令 g(k+1)=f(nk+1)g(k+1)=f(n_{k+1})。

这样就得到了 g:N+→Ag:\mathbb{N}^+\to A 的映射。


"练习 1.4.8"

使用以下大纲为定理1.4.13中的陈述提供证明。

(a) 首先,证明两个可数集合 A1{A}_{1} 和 A2{A}_{2} 的陈述(i)。例1.4.8(ii)可能是一个有用的参考。通过首先将 A2{A}_{2} 替换为集合 B2=A2∖A1={x∈A2:x∉A1}{B}_{2} = {A}_{2} \smallsetminus {A}_{1} = \left\{ {x \in {A}_{2} : x \notin {A}_{1}}\right\} ,可以避免一些技术性问题。这样做的目的是使并集 A1∪B2{A}_{1} \cup {B}_{2} 等于 A1∪A2{A}_{1} \cup {A}_{2} ,并且集合 A1{A}_{1} 和 B2{B}_{2} 是不相交的。(如果 B2{B}_{2} 是有限的,会发生什么?)

(b) 现在,解释(i)中更一般的陈述是如何得出的。

解释为什么不能使用归纳法从(i)部分证明定理1.4.13的(ii)部分。

(c) 展示如何将 N\mathbb{N} 排列成二维数组
1361015⋯\begin{array}{llllll} 1 & 3 & 6 & {10} & {15} & \cdots \end{array}
25914⋯\begin{array}{lllll} 2 & 5 & 9 & {14} & \cdots \end{array}
4813⋯\begin{array}{llll} 4 & 8 & {13} & \cdots \end{array}
712⋯\begin{array}{lll} 7 & {12} & \cdots \end{array}
11…11 \ldots
⋮\vdots
从而证明定理1.4.13 (ii)。

(a) 如果 B2B_2 是无限集,那么由 1.4.7.1.4.7. 可知,B2B_2 是可数集,那么存在两个双射 f,gf,g,有 f:N+→A1f:\mathbb{N}^+\to A_1,g:N+→B2g:\mathbb{N}^+\to B_2。现在定义映射 h:N+→A1∪B2h:\mathbb{N}^+\to A_1\cup B_2 为

h(n)={f(n+12),n 为奇数g(n2),n 为偶数且不为0h(n)=\begin{cases} f\left(\frac{n+1}{2}\right), & n \text{ 为奇数}\\ g\left(\frac{n}{2}\right), & n \text{ 为偶数且不为0}\\ \end{cases}

由 A1∩B2=∅A_1\cap B_2=\varnothing,可知 hh 是单射。由 f,gf,g 的双射性知 hh 是满射,于是 hh 是双射。这说明 A1∪B2A_1\cup B_2 即 A1∪A2A_1\cup A_2 是可数集。

如果 B2B_2 是有限集,设它其中的元素个数为 mm,则 B2={b1,b2,…,bm}B_2=\{b_1,b_2,\ldots,b_m\}。存在双射 f:N+→A1f:\mathbb{N}^+\to A_1。现在定义映射 h:N+→A1∪B2h:\mathbb{N}^+\to A_1\cup B_2 为

h(n)={bn,n≤mf(n−m),n>mh(n)=\begin{cases} b_n, & n\leq m\\ f(n-m), & n>m\\ \end{cases}

同上可得 hh 是双射。所以 A1∪B2A_1\cup B_2 即 A1∪A2A_1\cup A_2 是可数集。

(b) 使用数学归纳法。假设 A1,A2,…,AnA_1,A_2,\ldots,A_n 是可数集时 A1∪A2∪…∪AnA_1\cup A_2\cup\ldots\cup A_n 是可数集,令 B=A1∪A2∪…∪AnB=A_1\cup A_2\cup\ldots\cup A_n,则 An+1A_{n+1} 是可数集时 B∪An+1B\cup A_{n+1} 即 A1∪A2∪…∪An∪An+1A_1\cup A_2\cup\ldots\cup A_n\cup A_{n+1} 也是可数集。又 n=2n=2 时结论成立,由数学归纳法可知结论对 ∀ n∈N+\forall\ n\in \mathbb{N}^+ 成立。

由 1.2.12.(b)1.2.12.(b) 可知,有限归纳法不能直接推广到无限的情况。

(c) 二维正整数集为可数集的对角线构造证明法

由图所示,我们可以构造映射 f:(N+)2→N+f:(\mathbb{N^+})^2 \to \mathbb{N^{+}},

f(m,n)={1,if m=n=1;f(m+1,n−1)+1,if n>1;f(1,m−1)+1,if m>1,n=1;f(m,n)=\begin{cases} 1, &\text{if } m=n=1;\\ f(m+1,n-1)+1, &\text{if } n>1;\\ f(1,m-1)+1, &\text{if } m>1,n=1; \end{cases}

(m,n)(m,n) 是下面这个数表下面第 mm,右边第 nn 个元素:

13610⋯25914⋯481319⋯7121825⋯⋮⋮⋮⋮\begin{array}{ccccc} & 1 & 3 & 6 & 10 &\cdots\\ & 2 & 5 & 9 & 14 &\cdots\\ & 4 & 8 & 13 & 19 &\cdots\\ & 7 & 12 & 18 & 25 &\cdots\\ & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \end{array}

可以看出,全体正整数都出现在这个表中,且每个正整数只出现一次。所以 ff 是一个双射。下面我们严格地证明这一点。

首先,我们证明 ff 是单射。 当横纵坐标之和固定时,这些点都在同一对角线上,我们利用这个性质给出下面的证明:

设 f(m1,n1)=f(m2,n2)f(m_1,n_1)=f(m_2,n_2), 不失一般性,令 m1+n1≤m2+n2m_1+n_1\leq m_2+n_2,此时 (m1,n1)(m_1,n_1) 所在的对角线在 (m2,n2)(m_2,n_2) 所在的对角线的上方(也是左侧)或与之重合。

若不重合即 m1+n1<m2+n2m_1+n_1<m_2+n_2,则 f(m1,n1)≤f(1,m1+n1−1)<f(m1+n1,1)f(m_1,n_1)\leq f(1,m_1+n_1-1)<f(m_1+n_1,1),移动到下一条对角线上,直到 (m2,n2)(m_2,n_2) 所在的对角线,即移到 f(m1+n1+k,1)f(m_1+n_1+k,1),其中 m1+n1+k+1=m2+n2m_1+n_1+k+1=m_2+n_2。由一条对角线上的单调性,由 n2≥1n_2\geq 1,有 f(m2,n2)≥f(m1+n1+k,1)>f(m1,n1)f(m_2,n_2)\geq f(m_1+n_1+k,1)>f(m_1,n_1)。这就矛盾。

所以 m1+n1=m2+n2m_1+n_1=m_2+n_2,即 (m1,n1)(m_1,n_1) 和 (m2,n2)(m_2,n_2) 在同一条对角线上。由对角线上的单调性,m1≥m2m_1\geq m_2 可推出 f(m1,n1)≤f(m2,n2)f(m_1,n_1)\leq f(m_2,n_2),所以 m1=m2m_1=m_2,进而 n1=n2n_1=n_2。综上所述,ff 是单射。

接着证明 ff 是满射,使用数学归纳法。假设对某个 k∈N+k\in \mathbb{N^+},∃ m,n∈N+\exists\ m,n\in \mathbb{N^+},使得 f(m,n)=kf(m,n)=k,则对 k+1k+1,有

f(m−1,n+1)=f(m,n)+1=k+1,if m>1;f(n+1,m)=f(m,n)+1=k+1,if m=1;\begin{matrix} f(m-1,n+1)=f(m,n)+1=k+1, &\text{if } m>1;\\ f(n+1,m)=f(m,n)+1=k+1, &\text{if } m=1; \end{matrix}

而 f(1,1)=1f(1,1)=1,所以 ff 是满射。

综上所述,ff 是双射。

对无穷多个可数集 A1,A2,…A_1,A_2,\ldots,令 B1=A1B_1=A_1,B2=A2\A1B_2=A_2\backslash A_1,B3=A3\(A1∪A2)B_3=A_3\backslash (A_1\cup A_2),依此类推,Bn=An\(A1∪A2∪…∪An−1)B_n=A_n\backslash (A_1\cup A_2\cup\ldots\cup A_{n-1}),则 A1,A2,…A_1,A_2,\ldots 的并集可表示为 B1∪B2∪B3∪…B_1\cup B_2\cup B_3\cup\ldots,且 Bi∩Bj=∅B_i\cap B_j=\varnothing(i≠ji\neq j)。

若对 ∀ i∈N+\forall\ i\in \mathbb{N}^+,BiB_i 是可数集,设 Bi={bi1,bi2,…}B_i=\{b_{i1},b_{i2},\ldots\},则定义映射 g:N+→B1∪B2∪B3∪…g:\mathbb{N}^+\to B_1\cup B_2\cup B_3\cup\ldots 为 f(m,n)↦bmnf(m,n)\mapsto b_{mn},由定义可知 gg 是双射,所以 A1∪A2∪A3∪…A_1\cup A_2\cup A_3\cup\ldots 是可数集。

若 ∃ i∈N+\exists\ i\in \mathbb{N}^+,BiB_i 是有限集,令 CC 为这些有限集的并集,仿照 1.4.8.(a)1.4.8.(a) 中的构造方法,可知 CC 是可数集,于是也能得证。

综上, A1∪A2∪A3∪…A_1\cup A_2\cup A_3\cup\ldots 是可数集。

附录:ff 的通项公式

下面开始推导具体的通项公式。

f(m,n)f(m,n) 的值,亦或说是其序号,是先数完它前面所有的对角线,再数完它所在的对角线的列数。比如说 f(3,2)=8f(3,2)=8,就是因为前面有三条对角线,总共 66 个数,而自己在所在对角线上为第 22 个(也就是第 22 列),所以总共正好是 6+2=86+2=8。

每条对角线上,行数与列数的和都是相等的。所以 f(m,n)f(m,n) 前的对角线就是从和为 22 到和为 m+n−1m+n-1 的对角线,总共 m+n−2m+n-2 条。而第 nn 条对角线上的数正好有 nn 个,所以就变成了等差数列的计算。最后再加上 f(m,n)f(m,n) 所在对角线的前 nn 个数字,就有:

f(m,n)=(m+n−1)(m+n−2)2+nf(m,n)=\displaystyle\frac{\left(m+n-1\right)\left(m+n-2\right)}{2}+n

"练习 1.4.9"

(a) 给定集合 AA 和 BB ,解释为什么 A∼BA \sim B 等价于断言 B∼AB \sim A 。

(b) 对于三个集合 A,BA,B 、 CC ,证明 A∼BA \sim B 和 B∼CB \sim C 蕴含 A∼CA \sim C 。这两个性质意味着 ∼\sim 是一个等价关系。

(a) 由题意,存在双射 f:A→Bf:A \to B。则构造 g:B→Ag:B \to A 使得 g(f(x))=xg(f(x)) = x 对任意 x∈Ax \in A 成立。由于 ff 是双射,gg 也是双射。所以 B∼AB \sim A。

(b) 由题意,存在双射 f:A→Bf:A \to B 和双射 g:B→Cg:B \to C。则构造 h:A→Ch:A \to C 使得 h(x)=g(f(x))h(x) = g(f(x)) 对任意 x∈Ax \in A 成立。由于 f,gf,g 是双射,hh 也是双射。所以 A∼CA \sim C。


"练习 1.4.10"

证明 N\mathbb{N} 的所有有限子集的集合是一个可数集。(事实上, N\mathbb{N} 的所有子集的集合不是一个可数集。这是1.5节的主题。)

将子集按元素和从小到大,元素个数从少到多排列:{1},{2},{3},{1,2},…\{1\},\{2\},\{3\},\{1,2\},\ldots,则每个子集都能对应一个唯一的自然数。故所有有限子集的集合可数。


"练习 1.4.11"

考虑开区间(0,1),并设 SS 为开单位正方形中的点集;即 S={(x,y):0<x,y<1}S = \{ \left( {x,y}\right) : 0 < x,y < 1\} 。

(a) 找到一个将(0,1)映射到 SS 的一对一函数,但不一定满射。(这很容易。)

(b) 利用每个实数都有小数展开的事实,构造一个将 SS 映射到(0,1)的一对一函数。讨论所构造的函数是否为满射。(请记住,任何终止小数展开,如.235,与.234999...表示相同的实数。)

接下来在练习1.4.13中讨论的施罗德-伯恩斯坦定理现在可以应用于得出结论 (0,1)∼S\left( {0,1}\right) \sim S 。

(a) f:x↦(x,1/2)f:x\mapsto (x,1/2)。

(b) 构造如下的映射 g:S→(0,1)g:S\to (0,1):令 x=0.a1a2…x=0.a_1a_2\ldots,y=0.b1b2…y=0.b_1b_2\ldots,则 g(x,y)=kg(x,y)=k,其中 k=0.a1b1a2b2…k=0.a_1b_1a_2b_2\ldots。

由于每个实数都有唯一的无限小数表示,由此知 gg 为满射。


"练习 1.4.12"

一个实数 x∈Rx \in \mathbb{R} 被称为代数数,如果存在不全为零的整数 a0,a1,a2,…,an∈Z{a}_{0},{a}_{1},{a}_{2},\ldots ,{a}_{n} \in \mathbb{Z} ,使得
anxn+an1xn−1+⋯+a1x+a0=0.{a}_{n}{x}^{n} + {a}_{{n}_{1}}{x}^{n - 1} + \cdots + {a}_{1}x + {a}_{0} = 0.
换句话说,如果一个实数是具有整数系数的多项式的根,那么它就是代数数。不是代数数的实数被称为超越数。重读第1.1节的最后一段。这里提出的最后一个问题与超越数是否存在密切相关。

(a) 证明 2,23\sqrt{2},\sqrt[3]{2} 和 3+2\sqrt{3} + \sqrt{2} 是代数数。

(b) 固定 n∈Nn \in \mathbb{N} ,并令 An{A}_{n} 为作为具有整数系数的多项式根所得到的代数数,这些多项式的次数为 nn 。利用每个多项式都有有限个根的事实,证明 An{A}_{n} 是可数的。(对于每个 m∈Nm \in \mathbb{N} ,考虑满足 ∣an∣+∣an−1∣+⋯+∣a1∣+∣a0∣≤m.)\left. {\left| {a}_{n}\right| + \left| {a}_{n - 1}\right| + \cdots + \left| {a}_{1}\right| + \left| {a}_{0}\right| \leq m.}\right) 的多项式 anxn+an1xn−1+⋯+a1x+a0{a}_{n}{x}^{n} + {a}_{{n}_{1}}{x}^{n - 1} + \cdots + {a}_{1}x + {a}_{0} )

(c) 现在,论证所有代数数的集合是可数的。关于超越数集合,我们可以得出什么结论?

(a) (2)2−2=0(\sqrt{2})^2-2=0,(23)3−2=0(\sqrt[3]{2})^3-2=0。

令 t=2+3t=\sqrt{2}+\sqrt{3},考虑 t2=5+26t^2=5+2\sqrt{6},则 (t2−5)2−24=0(t^2-5)^2-24=0,展开来得 t4−10t2+1=0t^4-10t^2+1=0。

所以它们都是代数数。

(b) 令 BmB_m 为系数满足 m−1<∑i=0n∣ai∣≤mm-1<\displaystyle \sum_{i=0}^{n}|a_i|\leq m 的多项式的根的集合。显然满足 BmB_m 条件的多项式个数有限,每个多项式的根的个数也有限,所以 BmB_m 是有限集。

所以 An=⋃m=1∞BmA_n=\displaystyle\bigcup_{m=1}^\infty B_m 由 1.4.8.1.4.8. 知是可数集。

(c) 所有代数数的集合为 ⋃n=1∞An\displaystyle\bigcup_{n=1}^\infty A_n,由 1.4.8.1.4.8. 知是可数集。

超越数集合是不可数的,换句话说,超越数的个数比代数数要多得多。


"练习 1.4.13 (施罗德-伯恩斯坦定理)"

假设存在一个一对一函数 f:X→Yf : X \rightarrow Y 和另一个 1−11 - 1 函数 g:Y→Xg : Y \rightarrow X 。按照步骤证明存在一个 1−11 - 1 且满射的函数 h:X→Yh : X \rightarrow Y ,因此 X∼YX \sim Y 。

(a) ff 的范围由 f(X)={y∈Y:y=f(x)f\left( X\right) = \{ y \in Y : y = f\left( x\right) 定义,其中 x∈X}x \in X\} 。设 y∈f(X)y \in f\left( X\right) 。(因为 ff 不一定是满射,范围 f(X)f\left( X\right) 可能不是 YY 的全部。)解释为什么存在唯一的 x∈Xx \in X 使得 f(x)=yf\left( x\right) = y 。现在定义 f−1(y)=x{f}^{-1}\left( y\right) = x ,并证明 f−1{f}^{-1} 是从 f(X)f\left( X\right) 到 XX 的一对一函数。

以类似的方式,我们也可以定义 1−11 - 1 函数 g−1:g(X)→Y{g}^{-1} : g\left( X\right) \rightarrow Y 。

(b) 设 x∈Xx \in X 为任意元素。令链 Cx{C}_{x} 为由所有形如以下元素的集合组成

(1)
…,f−1(g−1(x)),g−1(x),x,f(x),g(f(x)),f(g(f(x))),….\ldots ,{f}^{-1}\left( {{g}^{-1}\left( x\right) }\right) ,{g}^{-1}\left( x\right) ,x,f\left( x\right) ,g\left( {f\left( x\right) }\right) ,f\left( {g\left( {f\left( x\right) }\right) }\right) ,\ldots .
解释为什么在上述链中, xx 左侧的元素数量可能为零、有限或无限。

(c) 证明任意两条链要么完全相同,要么完全不相交。

(d) 注意在 (1) 中的链的项在 XX 的元素和 YY 的元素之间交替。给定一条链 Cx{C}_{x} ,我们希望关注 Cx∩Y{C}_{x} \cap Y ,它只是链中位于 YY 的部分。

定义集合 AA 为所有满足 Cx∩Y⊆f(X){C}_{x} \cap Y \subseteq f\left( X\right) 的链 Cx{C}_{x} 的并集。令 BB 由不在 AA 中的剩余链的并集组成。证明任何包含在 BB 中的链必须具有以下形式
y,g(y),f(g(y)),g(f(g(y))),…,y,g\left( y\right) ,f\left( {g\left( y\right) }\right) ,g\left( {f\left( {g\left( y\right) }\right) }\right) ,\ldots ,
其中 yy 是 YY 的一个元素,且不在 f(X)f\left( X\right) 中。

(e) 设 X1=A∩X,X2=B∩X,Y1=A∩Y{X}_{1} = A \cap X,{X}_{2} = B \cap X,{Y}_{1} = A \cap Y ,且 Y2=B∩Y{Y}_{2} = B \cap Y 。证明 ff 将 X1{X}_{1} 映射到 Y1{Y}_{1} ,且 gg 将 Y2{Y}_{2} 映射到 X2{X}_{2} 。利用此信息证明 X∼YX \sim Y 。

(a) 因为 ff 是单射,所以若 f(x1)=f(x2)=yf(x_1) = f(x_2)=y,则有 x1=x2x_1 = x_2,这就说明 f(x)=yf(x)=y 的唯一性,因此 f−1f^{-1} 是良定义且单射的。

(b) 如果不存在 y∈Yy\in Y 使得 g(y)=xg(y)=x,那么 g−1(x)g^{-1}(x) 不存在,因此左侧元素数量为 00。

同理,如果左侧延伸到某个元素满足上述情况,那么链在该元素截断,左侧元素数量有限。

若对左侧任何一个元素 xx,x∈Yx\in Y 时 f−1(x)f^{-1}(x) 存在, x∈Xx\in X 时 g−1(x)g^{-1}(x) 存在,那么链可以无限延伸下去,左侧元素数量无限。

(c) 如果两条链所有元素都不相同就不相交。

如果两条链有一个元素相同,由 f,gf,g 的单射性可知,该元素左侧和右侧的所有元素都相同,因此两条链完全相同。

(d) 考虑链 CxC_x 中的一个元素 y∈Yy\in Y。

若 y∈f(X)y\in f(X),则链延伸到 f−1(y)f^{-1}(y),否则链在 yy 截断,Cx⊆BC_x\subseteq B。

若链在 f−1(y)f^{-1}(y) 截断,那么对链中任意的 x∈Yx\in Y 都有 x∈f(X)x\in f(X),Cx⊆AC_x\subseteq A。

如果继续往左延伸到某个元素 xx 使得 f−1(x)f^{-1}(x) 不存在,那么 Cx⊆BC_x\subseteq B。

如果一直无限延伸,Cx⊆AC_x\subseteq A。

所以所有 Cx⊆BC_x\subseteq B 都以 y∉f(X)y\notin f(X) 为头开始。

(e) 根据 (c) 可知,所有链 CxC_x 互不相交,于是 ff 将 X1X_1 映到 Y1Y_1,gg 将 Y2Y_2 映到 X2X_2。

又由题意,X1∪X2=XX_1\cup X_2=X,Y1∪Y2=YY_1\cup Y_2=Y,根据 f:X1→Y1f:X_1\to Y_1 和 g:Y2→X2g:Y_2\to X_2 的双射性,构造如下的映射 h:X→Yh:X\to Y:

h={f(x),x∈X1,g−1(x),x∈X2.h=\begin{cases} f(x), & x\in X_1,\\ g^{-1}(x), & x\in X_2. \end{cases}

显然 hh 是双射。所以 X∼YX\sim Y。


习题 1.5 Cantor 定理

Cantor 在无限集理论中的工作远远超出了定理~定理1.4.11的结论。尽管最初遭到抵制,他在这一领域的创造性和不懈努力最终引发了集合论的一场革命,并改变了数学家对无限的理解方式。

Cantor 的对角线方法

定理~定理1.4.11 (1.4.4)的证明与 Cantor 为这一结果提供的任何论证都不同。之所以选择这个证明,是因为它直接揭示了不可数性与完备性概念之间的联系,并且因为使用嵌套区间的技术将在我们后续的工作中多次使用。

Cantor 最初在1874年发表了 R\mathbb{R} 不可数的发现,但在1891年,他提供了另一个证明,其简洁性令人惊讶。这个证明依赖于实数的十进制表示,我们将不加任何正式定义地接受并使用它。

开区间 (0,1)={x∈R:0<x<1}\left( {0,1}\right) = \{ x \in \mathbb{R} : 0 < x < 1\} 是不可数的。


"练习 1.5.1"

证明(0,1)(0,1)不可数当且仅当 R\mathbb{R} 不可数。这表明定理定理1.5.1与定理定理1.4.11是等价的。

⇒)\Rightarrow) 若 (0,1)(0,1) 不可数,由于可数集的子集可数,所以 R\mathbb{R} 也不可数。

⇐)\Leftarrow) 若 R\mathbb{R} 不可数,假设 (0,1)(0,1) 可数,则 [0,1)[0,1) 同样可数,由于 f:[0,1)→[1,2)f:[0,1)\to [1,2),f(x)=x+1f(x)=x+1 是一个双射,所以 [1,2)[1,2) 可数,同样对 ∀ x∈Z\forall\ x\in \mathbb{Z},[x,x+1)[x,x+1) 可数,所以 R=⋃x∈Z[x,x+1)\mathbb{R}=\displaystyle \bigcup_{x\in \mathbb{Z}}[x,x+1) 可数,矛盾。

故 (0,1)(0,1) 不可数。



与定理~定理1.4.11类似,我们采用反证法,假设确实存在一个函数 f:N→(0,1)f : \mathbb{N} \rightarrow \left( {0,1}\right) ,它是单射且满射的。对于每个 m∈Nm \in \mathbb{N} , f(m)f\left( m\right) 是一个介于00和11之间的实数,我们使用十进制表示法来表示它。

f(m)=⋅am1am2am3am4am5…f\left( m\right) = \cdot {a}_{m1}{a}_{m2}{a}_{m3}{a}_{m4}{a}_{m5}\ldots

这里的意思是,对于每个 m,n∈N,amnm,n \in \mathbb{N},{a}_{mn} 是来自集合 {0,1,2,…,9}\{ 0,1,2,\ldots ,9\} 的数字,表示 f(m)f\left( m\right) 的十进制展开中的第 nn 位数字。 N\mathbb{N} 与(0,1)(0,1)之间的一一对应关系可以用这样的双索引数组来表示。

此处需在原文件中插入图片

关于这一对应的关键假设是,假设(0,1)(0,1)区间内的每一个实数都会出现在列表中的某个位置。

现在进入论证的核心部分。定义一个实数 x∈(0,1)x \in \left( {0,1}\right) ,其小数展开 x=b1b2b3b4…x = {b}_{1}{b}_{2}{b}_{3}{b}_{4}\ldots 遵循以下规则

bn={2ann≠23ann=2.{b}_{n} = \begin{cases} 2 & {a}_{nn} \neq 2 \\ 3 & {a}_{nn} = 2. \end{cases}

让我们明确这一点。为了计算数字 b1{b}_{1} ,我们查看数组左上角的数字 a11{a}_{11} 。如果 a11=2{a}_{11} = 2 ,则选择 b1=3{b}_{1} = 3 ;否则,设定 b1=2{b}_{1} = 2 。


"练习 1.5.2"

(a) 解释为什么实数 x=.b1b2b3b4…x = {.b}_{1}{b}_{2}{b}_{3}{b}_{4}\ldots 不能是 f(1)f\left( 1\right) 。

(b) 现在,解释为什么 x≠f(2)x \neq f\left( 2\right) ,以及一般来说为什么对于任何 n∈Nn \in \mathbb{N} , x≠f(n)x \neq f\left( n\right) 成立。

(c) 指出这些观察中产生的矛盾,并得出结论:(0,1)(0,1)是不可数的。

(b) 对 ∀ x∈N\forall\ x\in \mathbb{N},bn≠annb_n\neq a_{nn},所以 x≠f(n)x\neq f(n)。

(c) 由 (b) 可知这样的列表无法覆盖整个 (0,1)(0,1),所以 (0,1)(0,1) 不可数。




"练习 1.5.3"

对以下关于定理 1.5.1 证明的质疑提供反驳。

(a) 每个有理数都有一个小数展开,因此我们可以应用相同的论点来证明0到1之间的有理数集是不可数的。然而,因为我们知道 Q\mathbb{Q} 的任何子集都必须是可数的,所以定理~定理1.5.1的证明一定有缺陷。

(b) 一些数字有两种不同的小数表示。具体来说,任何终止的小数展开也可以用重复的9表示。例如, 1/21/2 可以写成.5或.4999.... 这不会导致一些问题吗?

(a) 表中的小数都是实数,各位数都可以随意列出。如果换成有理数:(1) 表中的小数无法任意排布;(2) 得到的表格外面的数不一定是有理数。因此无法用对角线法证明有理数不可数。

(b) 将所有有限小数都写成它的无限小数形式即可规避该问题。




"练习 1.5.4"

设 SS 为由所有0和1的序列组成的集合。注意, SS 不是一个特定的序列,而是一个包含序列作为元素的大集合;即,

S={(a1,a2,a3,…):an=0or1}.S = \left\{ {\left( {{a}_{1},{a}_{2},{a}_{3},\ldots }\right) : {a}_{n} = 0 or 1}\right\} .

例如,序列 (1,0,1,0,1,0,1,0,…)\left( {1,0,1,0,1,0,1,0,\ldots }\right) 是 SS 的一个元素,序列 (1,1,1,1,1,1,…)\left( {1,1,1,1,1,1,\ldots }\right) 也是。

给出一个严格的论证,证明 SS 是不可数的。

假设 SS 可数,则可以使用对角线法构造一个如下的表格:

1⟷(a11,a12,a13,…)2⟷(a21,a22,a23,…)3⟷(a31,a32,a33,…)⋮d⟷(ad1,ad2,ad3,…)⋮\begin{matrix} &1\longleftrightarrow (a_{11},a_{12},a_{13},\ldots)\\ &2\longleftrightarrow (a_{21},a_{22},a_{23},\ldots)\\ &3\longleftrightarrow (a_{31},a_{32},a_{33},\ldots)\\ &\vdots\\ &d\longleftrightarrow (a_{d1},a_{d2},a_{d3},\ldots)\\ &\vdots \end{matrix}

然后构造一个新的序列 (b1,b2,b3,…)(b_1,b_2,b_3,\ldots),其中 bi≠aiib_i\neq a_{ii},则该序列不在表格中,矛盾。

故 SS 不可数。



在区分了可数无穷( N\mathbb{N} )和不可数无穷( R\mathbb{R} )之后,Cantor 面临的一个新问题是,是否存在一种“高于” R\mathbb{R} 的无穷。这在逻辑上是一个危险的领域。我们在定义“具有相同基数”的关系时所给予的同样谨慎,也需要用于定义诸如“基数大于”或“基数小于或等于”的关系。然而,即使不陷入形式定义的泥潭,从下一个结果中我们可以非常清楚地感受到,存在一个超越 R\mathbb{R} 连续统的无穷集合的层级结构。

幂集与 Cantor 定理

给定一个集合 AA ,幂集 P(A)P\left( A\right) 指的是 AA 的所有子集的集合。注意, P(A)P\left( A\right) 本身被视为一个集合,其元素是 AA 的不同可能子集。


"练习 1.5.5"

(a) 设 A={a,b,c}A = \{ a,b,c\} 。列出 P(A)P\left( A\right) 的八个元素。(不要忘记 ∅\varnothing 被视为每个集合的子集。)

(b) 如果 AA 是有限的,且有 nn 个元素,证明 P(A)P\left( A\right) 有 2n{2}^{n} 个元素。(构造 AA 的一个特定子集可以解释为关于是否包含 AA 的每个元素的一系列决策。)

(a) ∅,{a},{b},{c},{a,b},{a,c},{b,c},{a,b,c}\varnothing,\{a\},\{b\},\{c\},\{a,b\},\{a,c\},\{b,c\},\{a,b,c\}。

(b) 对于 AA 的任意子集,都可以用一个 0−10-1 序列来表示,11 表示该位置的元素在子集中,00 表示不在。因此列出后可得到 2n2^n 个子集。




"练习 1.5.6"

(a) 使用特定集合 A={a,b,c}A = \{ a,b,c\} ,展示从 AA 到 P(A)P\left( A\right) 的两个不同的1-1映射。

(b) 设 B={1,2,3,4}B = \{ 1,2,3,4\} ,生成一个 1−11 - 1 映射 g:B→P(B)g : B \rightarrow P\left( B\right) 的例子。

(a) A→P(A)A\to P(A):(1) a↦{a}a\mapsto \{a\},(2) a↦∅a\mapsto \varnothing。

(b) B→P(B)B\to P(B):b↦{b}b\mapsto \{b\}。

因为 P(A) 中的元素个数远大于 A 中的元素个数,所以不可能有一个满射。



解释为什么在(a)和(b)部分中,不可能构造出满射映射。

Cantor 定理指出,练习1.5.6中的现象不仅适用于有限集,也适用于无限集。尽管将 AA 映射到 P(A)P\left( A\right) 相当容易,但找到一个满射映射是不可能的。

给定任何集合 AA ,不存在一个满射函数 f:A→P(A)f : A \rightarrow P\left( A\right) 。

与同类证明一样,此证明采用间接法。反设 f:A→P(A)f : A \rightarrow P\left( A\right) 是满射的,以期引出矛盾。与通常我们处理数字集合作为定义域和值域的情况不同, ff 是一个集合与其幂集之间的对应关系。对于每个元素 a∈A,f(a)a \in A,f\left( a\right) ,它是 AA 的一个特定子集。假设 ff 是满射的,意味着 AA 的每一个子集都作为 f(a)f\left( a\right) 出现,对应于某个 a∈Aa \in A 。为了引出矛盾,我们将构造一个子集 B⊆AB \subseteq A ,它不等于任何 a∈Aa \in A 对应的 f(a)f\left( a\right) 。

按照以下规则构造 BB 。对于每个元素 a∈Aa \in A ,考虑子集 f(a)f\left( a\right) 。这个 AA 的子集可能包含元素 aa ,也可能不包含。这取决于函数 ff 。如果 f(a)f\left( a\right) 不包含 aa ,那么我们将 aa 包含在我们的集合 BB 中。更准确地说,设

B={a∈A:a∉f(a)}.B = \{ a \in A : a \notin f\left( a\right) \} .

"练习 1.5.7"

回到练习1.5.6中构造的特定函数,并使用前面的规则构造得到的子集 BB 。在每种情况下,注意 BB 不在所用函数的值域内。

采用 A→P(A)A\to P(A):(1) a↦{a}a\mapsto \{a\} 的规则,得到 B=∅B=\varnothing。



我们现在关注一般性论证。由于我们假设函数 f:A→P(A)f : A \rightarrow P\left( A\right) 是满射的,因此对于某个 a′∈A{a}^{\prime } \in A ,必须有 B=f(a′)B = f\left( {a}^{\prime }\right) 。当我们考虑 a′{a}^{\prime } 是否是 BB 的元素时,矛盾就出现了。


"练习 1.5.8"

(a) 首先,证明情况 a′∈B{a}^{\prime } \in B 会导致矛盾。

(b) 现在,通过证明情况 a′∉B{a}^{\prime } \notin B 同样不可接受来完成论证。

(a) 若 a′∈Ba'\in B,则 a′∉f(a′)a'\notin f(a'),但 B=f(a′)B=f(a'),矛盾。

(b) 若 a′∉Ba'\notin B,则 a′∈f(a′)a'\in f(a'),但 B=f(a′)B=f(a'),矛盾。

所以从 AA 到 P(A)P(A) 不存在一个满射函数。




"练习 1.5.9"

作为最后一个练习,通过建立与已知基数集合的一一对应关系来回答以下每个问题。

(a) 从 {0,1}\{ 0,1\} 到 N\mathbb{N} 的所有函数集合是可数的还是不可数的?

(b) 从 N\mathbb{N} 到 {0,1}\{ 0,1\} 的所有函数的集合是可数的还是不可数的?

(c) 给定一个集合 BB , P(B)P\left( B\right) 的一个子集 A\mathcal{A} 被称为一个反链,如果 A\mathcal{A} 的任何元素都不是 A\mathcal{A} 中任何其他元素的子集。 P(N)P\left( \mathbb{N}\right) 是否包含一个不可数的反链?

(a) 建立 f:{0,1}→N+f:\{0,1\}\to \mathbb{N^+}: f(0)=a,f(1)=bf(0)=a,f(1)=b,把所有这样的函数组成集合 AA 。我们再建立 g:A→(N+)2g:A\to \mathbb{(N^+)^2}: g(f)=(a,b)g(f)=(a,b)。显然,gg 是一个双射。由前述构造,N∼(N+)2\mathbb{N}\sim \mathbb{(N^+)^2},所以集合 AA 可数。

(b) 同上,建立 f:N+→{0,1}f:\mathbb{N^+}\to \{0,1\},这个 ff 把正整数序列转换成了无穷的 0−10-1 序列,由 1.5.4.1.5.4. 可知这样的序列不可数,所以全体 ff 组成的集合不可数。

(c) 这里借鉴了别人的解答。

设 pmp_m 是第 mm 个素数。我们利用素数的唯一分解性来构造一个映射:

Φ:P(N+)∖{∅,N+}→P(N+):Φ(X)={pmn:m∈X,n∉X}\Phi:P(\mathbb{N^+})\setminus\left\{\varnothing,\mathbb{N^+}\right\} \to P(\mathbb{N^+}):\\ \Phi\left(X\right)=\left\{p_m^n: m\in X,n\notin X\right\}

记 A={Φ(X):X∈P(N+)∖{∅,N+}}\mathcal{A}=\left\{\Phi(X): X\in P(\mathbb{N}^+)\setminus\left\{\varnothing,\mathbb{N}^+\right\}\right\},下面我们要证明 A\mathcal{A} 是一个不可数的反链,即对任意 X≠YX\neq Y,都有 Φ(X)⊈Φ(Y)\Phi(X)\not\subseteq \Phi(Y) 且 Φ(Y)⊈Φ(X)\Phi(Y)\not\subseteq \Phi(X)。

首先,由素数的唯一分解性,Φ\Phi 是一个单射。

不妨设 ∃ m∈X\exists\ m\in X,m∉Ym\notin Y(即 X⊈YX \not\subseteq Y),则对某个 n∉Xn\notin X,pmn∈Φ(X)p_m^n\in \Phi(X),但 pmn∉Φ(Y)p_m^n\notin \Phi(Y)(因为底数 m∉Ym \notin Y),所以 Φ(X)⊈Φ(Y)\Phi(X)\not\subseteq \Phi(Y)。

对于反方向 Φ(Y)⊈Φ(X)\Phi(Y) \not\subseteq \Phi(X):
如果 ∃ l∈Y\exists\ l\in Y,l∉Xl\notin X(即 Y⊈XY \not\subseteq X),则同理可证 Φ(Y)⊈Φ(X)\Phi(Y)\not\subseteq \Phi(X)。
如果对 ∀ l∈Y\forall\ l\in Y,l∈Xl\in X(即 Y⊊XY \subsetneq X),则对上述 mm(满足 m∈X∖Ym \in X \setminus Y),任取 l∈Yl \in Y,考察元素 z=plmz = p_l^m。
z∈Φ(Y)z \in \Phi(Y)(因底数 l∈Yl \in Y,指数 m∉Ym \notin Y)。
但 z∉Φ(X)z \notin \Phi(X)(因指数 m∈Xm \in X,不满足 Φ(X)\Phi(X) 的定义要求)。
所以 Φ(Y)⊈Φ(X)\Phi(Y)\not\subseteq \Phi(X)。

综上,A\mathcal{A} 中任何元素都不是其他元素的子集。又因为 P(N+)∖{∅,N+}P(\mathbb{N^+})\setminus\left\{\varnothing,\mathbb{N^+}\right\} 是不可数的,所以 A\mathcal{A} 也是不可数的。

所以,A\mathcal{A} 就是一个不可数的反链。



习题 1.6 结语

具有相同基数的关系是一种等价关系(参见练习1.4.9),大致意味着宇宙中的所有集合可以根据它们的大小组织成不相交的组。两个集合出现在同一个组或等价类中,当且仅当它们具有相同的基数。因此, N,Z\mathbb{N},\mathbb{Z} 和 Q\mathbb{Q} 与所有其他可数集合一起被分在同一类中,而 R\mathbb{R} 则在另一个类中,该类包括区间(0,1)(0,1)以及其他不可数集合。Cantor定理的一个含义是, P(R)P\left( \mathbb{R}\right) —— R\mathbb{R} 的所有子集的集合——与 R\mathbb{R} 不在同一类中,而且没有理由在此停止。 P(R)P\left( \mathbb{R}\right) 的子集集合——即 P(P(R))P\left( {P\left( \mathbb{R}\right) }\right) ——又在另一个类中,这个过程无限延续。

将集合的宇宙划分为不相交的组后,为每个集合附加一个“数字”将非常方便,这个数字可以像自然数一样用来表示有限集的大小。给定一个集合 XX ,存在一个称为 XX 的基数(cardinal number)的东西,记作card XX ,它的行为非常符合这种模式。例如,两个集合 XX 和 YY 满足 card⁡X=card⁡Y\operatorname{card}X = \operatorname{card}Y 当且仅当 X∼YX \sim Y 。(严格定义card XX 需要一些重要的集合论知识。一种方法是定义card XX 为一个非常特定的集合,该集合总是可以在与 XX 相同的等价类中唯一找到。)

回顾 Cantor 定理,我们强烈地感觉到,无穷集合的大小存在一种顺序,这种顺序应该在我们新的基数系统中得到体现。具体来说,如果能够以一一对应的方式将集合 XX 映射到 YY 中,那么我们希望 card⁡X≤card⁡Y\operatorname{card}X \leq \operatorname{card}Y 。写成严格不等式 card⁡X<card⁡Y\operatorname{card}X < \operatorname{card}Y 应该表明,可以将 XX 映射到 YY 中,但无法证明 X∼YX \sim Y 。用这种符号重新表述,Cantor定理指出,对于每个集合 AA ,有基数 A<card⁡P(A)A < \operatorname{card}P\left( A\right) 。

有一些重要的细节需要解决。当我们意识到 Cantor 定理的一个含义是不存在“最大”集合时,一种形而上学的问题便出现了。诸如“设 UU 为所有可能事物的集合”这样的声明是自相矛盾的,因为我们立即得到 card⁡U<card⁡P(U)\operatorname{card}U < \operatorname{card}P\left( U\right) ,因此集合 UU 并不包含它声称要包含的所有内容。这类问题最终通过施加一些限制条件来解决,即规定什么才能算作一个集合。随着集合论的形式化,公理必须精心设计,以确保像 UU 这样的对象根本不被允许。一个更实际且需要关注的问题是证明我们对基数之间“ ≤\leq ”的定义确实是一个序关系。这涉及到证明基数具有类似于实数的性质,即如果 card⁡X≤card⁡Y\operatorname{card}X \leq \operatorname{card}Y 且 card⁡Y≤card⁡X\operatorname{card}Y \leq \operatorname{card}X ,则 card⁡X=card⁡Y\operatorname{card}X = \operatorname{card}Y 。最终,这归结为证明如果存在 f:X→Yf : X \rightarrow Y 是单射,且存在 g:Y→Xg : Y \rightarrow X 是单射,那么可以找到一个既是单射又是满射的函数 h:X→Yh : X \rightarrow Y 。Cantor未能证明这一事实,但最终由 Ernst Schröder (1896年)和 Felix Bernstein (1898年)独立提供。Schröder-Bernstein 定理的论证在练习1.4.13中概述。

Cantor 所关注的、源自新兴基数理论的另一个深层次问题,在他有生之年并未得到解决。由于可数集的重要性,符号 ℵ0{\aleph }_{0} 常被用来表示基数 N\mathbb{N} 。当我们记住可数集是最小的无限集类型时,下标“0”是合适的。就基数而言,如果基数 X<ℵ0X < {\aleph }_{0} ,那么 XX 是有限的。因此, ℵ0{\aleph }_{0} 是最小的无限基数。 R\mathbb{R} 的基数也足够重要,值得特别命名为 ℵ1=card⁡R=card⁡(0,1)\aleph_1 = \operatorname{card}\mathbb{R} = \operatorname{card}\left( {0,1}\right) 。定理~定理1.4.11 和 定理1.5.1的内容是 ℵ0<ℵ1{\aleph }_{0} < \aleph_1 。困扰Cantor的问题是,是否存在严格介于这两者之间的基数。换句话说,是否存在一个集合 A⊆RA \subseteq \mathbb{R} ,使得 card⁡N<card⁡A<card⁡R\operatorname{card}\mathbb{N} < \operatorname{card}A < \operatorname{card}\mathbb{R} ?Cantor认为这样的集合不存在。在基数的排序中,他推测 ℵ1\aleph_1 是 ℵ0{\aleph }_{0} 的直接后继。

Cantor 的“连续统假设”是过去一个世纪中最著名的数学难题之一。它的意外解决分为两部分。1940年,德国逻辑学家和数学家 Kurt Gödel 证明,仅使用集合论中公认的公理集,无法否定连续统假设。1963年,Paul Cohen 成功证明,在相同的规则下,也无法证明这一猜想。综合来看,这两项发现意味着连续统假设是不可判定的。它可以被接受或拒绝作为关于无限集性质的陈述,无论哪种情况都不会产生任何逻辑矛盾。

提到 Kurt Gödel,不禁让人对 Cantor 工作的意义作最后的评论。Gödel 以其“不完备性定理”最为著名,这些定理涉及一般公理系统的强度。Gödel 所证明的是,任何为研究算术而创建的一致公理系统必然注定是“不完备的”,即总会存在一些命题,使公理系统因过于薄弱而无法证明。在 Gödel 极其复杂的证明的核心,有一种与定理定理1.5.1和定理1.5.2证明中发生的事情密切相关的操作类型。Cantor 证明方法的变体也可以在计算机科学的限制性结果中找到。“停机问题”大致询问是否存在某种通用算法,可以查看每个程序并决定该程序是否最终终止。证明这种算法不存在的核心论证使用了对角线化类型的构造。主要观点是,不仅Cantor定理的推论深远,其论证技术也同样重要。作为这一现象的一个更直接的例子,对角线化方法在第6章中再次被使用——以一种建设性的方式——作为 Arzela-Ascoli 定理证明的关键步骤。


实数
习题 1.5 Cantor 定理
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