实数R的严格化

数学作为一门基础学科,就需要非常稳定的地基,而“严格化”正是维持稳定的方法,一般来讲就是严密的证明过程。

我们来证明实数R所具备的完备性,就是R作为数学最基本单位存在的意义。因为数学是在数字上建立起来的,而微积分中的无穷的意义也是从实数R的基础上建立的,无穷才具有意义。

一维认知:

[ 在数学分析中,实数-R,自然数-N,整数-Z,有理数-Q,RNZQ分别代表一种集合。实数由有理数和无理数构成。]

二维认知:

对应关系——集合之间的关系

就是R的个数为什么会大于NZQ的个数,而NZQ个数却相等。

个数用Φ来表示。

问题简写:(数学中简写很重要)

Φ(R)>Φ(N/Z/Q)?

Φ(N)=Φ(Z)=Φ(Q)?

为什么是证明这样的关系?如何证明?

一、为什么是证明这样的关系呢?

R的完备性体现在它的稠密性,即可以覆盖所有数的一个数域。所以就是为了证明它是否覆盖了所有数。就需要比较它的范围是否大于QZN。

R具备完备性,那么完备性该怎样理解?这种完备性可以理解为最为理想的,合适的一种基本存在,并且可以从这个基础上建立更多更复杂的东西。

“即在一个公理系统上判定所有该领域的命题。”

二、如何证明

【集合之间存在对应关系——映射】

(简单来讲就是一个萝卜一个坑)

所以实数集R与自然数集N、整数集Z、有理数集Q相互之间具有映射关系,由这种对应关系可以推出不同集合中数的个数是否相同。

一:

Φ(N)=Φ(Z)=Φ(Q)?

先证明 Φ(N)=Φ(Z)

N = {1,2,3,4,5.......}

Z = {0,-1,1,-2,2,......}

Q={m/n| m,n ∈Z, n≠0}

由于是映射Z→N,所以就相当于给Z中的所有数编号,0为1,-1为2, 1为3 ,-2为4 ...

所以Z中的每个数都能对应一个自然数。

所以... Φ(N)=Φ(Z)

然后证明Φ(N)=Φ(Q)

上面Q的表达式相当于一个二维数轴,假设m为横轴,n为纵轴。我还是直接画个草图。

所以 Φ(N)=Φ(Z)=Φ(Q),也称之为它们的势都是相等的,并且与自然数集合相等的集合统称为可数个集合。所以Z,Q是可数个集合。

从这里面还可以得到一个信息就是N∈Z∈Q,就是Q是母集,N和Z是它的真子集。由此可以用到下个证明中。

但因为无穷的关系,他们的个数又是相等的。

二:

Φ(R)>Φ(N/Z/Q)

只需证明Φ(R)>Φ(N)即可。

好像没有头绪。。。。

那就利用反证法,证明Φ(R)= Φ(N).

第一步:

证明Φ(R)=Φ{x|x∈(0,1)}

为啥是证明这个?

因为x是R的真子集啊!!!上面说了要用的。

一般来说就是Φ(R)是一条无限延长的直线上所有数的个数,而Φ(x)是开区间(0,1)的个数。证明两者的个数一样多。

如图二,把区间(0,1)弯曲成半圆与实数轴相切,并从圆心画直线,连接在(0,1)上的交点和在实数集上的交点在同一条直线,说明有对应,很明显这样一直画下去,是可以一一对应的。

所以Φ(R)=Φ(x)

第二步:

【找到逻辑矛盾】

构造一个数 A∈(0,1),从这个区间找到一个数,这个数是自然数N无法一一对应的则证明Φ(R)≠Φ(N)且Φ(R)>Φ(N)

A 可能是这样:

A 1 = 0.9123456......→取点后第1个数: 9

A 2 = 0.8523153......→取第2个数: 5

A 3 = 0.4523645......→取第3个数: 2

A 4 = 0.5233536......→取第4个数: 3

.

.

An

〈这样按照自然数N的取法相当于给它编号〉

然后按取出来的数转换成A'。

假设A' =0.9523698585....

然后再按照数字为9变为0,非9变为9

A'=0.0999990999....

然后你发现不管你取多少次这个数你都是不能用N给它编号,因为你之前第An个数的取的第n个数经过两次转换,An根本取不到。

这是一条漏网之鱼,一个逻辑矛盾。并且这样的数可能更多。

所以Φ(R)>Φ(N)。实数是不可数的。

前面说,与自然数个数相同的是可数的,所以实数是不可数的。不可数就是你不能排成12345678这种序列对应。

结语:

实数的非常的稠密,在实数轴上,是整条直线,而有理数,整数,自然数只是上面无限的点,但个数仍远小于实数的个数。

就是因为它足够的稠密,所以它取极限的时候,极限的点永远都在这样一个集合里面,不会出现其他情况。

正因为实数这样的完备性,所以我们才能进行无限严格的趋近的这样一个过程。无限严格就是精确度可以不断提高。

总结一下概念:

实数具有完备性。

实数不可数,自然数,整数,有理数可数。

下一次总结学习极限咯!

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