实分析

额外注释 ​

这里用来放置一些内容,包括:

  • 笔记未收录但是课本有所提及的内容(当然,至少我得认为这部分比较有用)
  • 课本收录了的,一些个人认为比较重要的定理的证明
  • 一些课本没有的扩展内容

需要注意的是,对于这里面打了tag的公式,其tag只在其内容内奏效,不会涉及外部的tag。

目录 ​

结构的相关解释 ​

在这份笔记里,部分字体格式对应特殊的意义,具体效果解释如下:

  1. 一级标题(#)

    小节的标题,只用于笔记的开头。

  2. 二级标题(##)

    小节内内容的分块,具体包括:

    • 公理:其对应部分抄录原书中的公理内容
    • 定义:其对应部分抄录原书中的定义内容
    • 摘录:其对应部分记录原书中无任何标头的重要内容,根据个人总结,会有所删改。同时,这部分内容也是没有编号的
    • 命题:其对应部分抄录原书中的定理,引理与命题内容
    • 课后习题:其对应部分抄录原书中的小节下习题与个人习题解答
    • 本节相关跳转:其对应部分记录本节笔记中提到的其它章节的跳转链接
  3. 三级标题(### **)

    定义,命题等模块下,若原文内容有明显分类则添加三级标题注明分类,例子有:实分析 4.3 绝对值与指数运算

  4. 五级标题(##### **)

    小节的相关习题

  5. 六级标题(###### **)

    小节某习题下的分小题

  6. 红色字体(<span style="color:red">**</span>)

    有两种应用区域,其一是内容的编号与简称,典型例子如:(8.5.15 佐恩引理),格式为:(原书编号 定理简称),若简称后方带有问号则表示该简称并非原书内容,只是本人所写;其二是在课后习题部分中,当题目介绍某个未曾在书中定理,引理,命题出现的概念时,使用红色字体标注。

  7. 蓝色字体(<span style="color:blue">**</span>)

    有四种应用区域,其一是原书部分重要的例,当我觉得重要时会把该例单独放在相关内容下方,另起一行并用括号标注,格式是:(注:例内容);其二是在引理中原书打括号的部分,当我觉得它需要额外醒目一点时,使用蓝色字体标注;其三是原书习题后面的提示,使用蓝色字体抄录,格式是:(提示:提示内容);其四就是个人对一个命题或定义的理解,这种直接在对应命题后面用括号框住,格式大概是:(理解内容)。

  8. 粗体字体(******)

    注释一些需要醒目的内容,比如当某个概念第一次出现时一定要用粗体标出。

  9. 跳转链接([**](**))

    当内容提到原书其它小节时,给出对应章节的跳转链接,比如4.3节,链接格式统一使用:..\..\第n章\md\实分析 n.m 标题.md的格式,其中n.m是引用的章节对应数字。特别的,如果是额外注释则不需要在文末的本节相关跳转中给出跳转链接。

  10. 数学公式($**$与$$**$$)

当一个地方需要使用数学内容的时候则使用数学公式,此外,当这一部分数学内容设计很多推导过程时,更建议使用行间。

上述字体格式允许在同一个地方应用多种格式。

一些符号总结 ​

  1. N:自然数集
  2. N∗或者N+:正自然数集
  3. Z:整数集
  4. Q:有理数集
  5. R:实数集
  6. R∗:广义实数集(也即R∪{+∞,−∞})

替换公理 ​

代数替换公理(algebraic substitution axiom):在任一代数恒等式中,每一个字母符号只是一个泛指的变量,因而可用其它形式的字母或恒等的函数表达式(只要用这些表达式替换后等式两边均仍有意义)替换,替换后等式仍成立。

详情可以参考替换公理—百科。

代数的函数 ​

简单来说,即是不能通过有限次的加法(+),减法(−),乘法(×),除法(÷),乘方,开方()等关于x的标准代数运算来表达,在本书中我们暂时用不到这个概念。

关于代数函数的具体定义,可以参考:代数函数—百科。

符号函数(sgn) ​

符号函数sgn:R→R定义如下:

sgn(x)={1ifx>00ifx=0−1ifx<0

这个函数偶尔会被提到,故在此注明。

介值定理证明 ​

定理内容:

(9.7.1 介值定理)设a<b都是实数,f:[a,b]→R是[a,b]上的连续函数,并且设y是介于f(a)与f(b)之间的一个实数(即要么有f(a)≤y≤f(b)要么f(b)≤y≤f(a)),那么存在实数c∈[a,b]使得f(c)=y。

证明:

定理包含两种情形f(a)≤y≤f(b)与f(b)≤y≤f(a),这里我们给出第一种情况下的证明,第二种情况的证明类似。

若y=f(a)或y=f(b),那么我们只需要相应的考虑令有c=a或c=b,于是只需要考虑f(a)<y<f(b)的情况。令E表示集合:

E:={x∈[a,b]:f(x)<y}

那么对E我们有:

  • 显然E是[a,b]的子集,从而E是有界的。
  • 因为f(a)<y且a∈[a,b],所以E也是非空的。

由最小上界原理,于是c:=sup(E)是有限的。因为E包含a,于是c≥a,又因为E以b为上界(E是[a,b]的子集),于是c∈[a,b]。现在证明f(c)=y,证明思路是从c的左侧证明f(c)≤y,然后从c的右侧证明f(c)≥y。

左侧的证明:

设n≥1是一个整数,数c−1n小于c,从而c−1n不可能是E的上界,于是存在一个点,我们记为xn,它满足xn≥c−1n且xn∈E。于是同时由xn∈E有xn≤c,于是:

c−1n≤xn≤c

根据夹逼定理,于是有limn→∞xn=c,又由于f是连续的,于是这蕴含着limn→∞f(xn)=f(c),此外,由于对任意xn,都有xn∈E,于是有f(xn)<y,根据比较原理,于是有f(c)≤y成立。

因为f(b)>y≥f(c),于是c≠b,又根据c是E的上确界而b是E的上界,于是c<b。特别地,存在一个正整数N使得对任意n≥N都有c+1n<b即c+1n∈[a,b];并且因为c+1n>c与c是上确界,所以c+1n∉E;结合可得有f(c+1n)≥y。又有c+1n收敛于c与f连续,根据比较原理,于是有f(c)≥y成立。

综上,我们同时有f(c)≤y与f(c)≥y成立,于是只能有f(c)=y,此即我们要证明的结论。

自然数集N是最小的无限集 ​

使用反证法,不妨假设A是一个基数小于N的无限集,从而存在一个自然数集N的子集B与A有相同的基数,然后我们考虑下面这样一个递归定义所给出的函数f:N→B:

(1)f(i):=min(B\{f(j):j<i})(i∈N)

由于{f(j):j<i}对任意i∈N都是有限集,而B根据假设应当是无限集,所以集合B\{f(j):j<i}总是非空的;由于自然数集是良序的,从而根据良序原理,B\{f(j):j<i}的最小元素总是存在的。因此,上面的递归定义对任意i∈N都是有效的。

然后我们考虑函数f的性质:

  • f是单射吗?

    对任意i1,i2∈N且i1≠i2,不妨考虑设i1<i2。于是根据定义(1),我们有:

    f(i2)=min(B\{f(j):j<i2})

    由于良序原理,于是有f(i2)∈B\{f(j):j<i2}⟺f(i2)∈B且f(i2)∉{f(j):j<i2},这表明对任意的j<i2,都应该有f(i2)≠f(j)(不然就有f(i2)∈{f(j):j<j2}了),特别地,有f(i2)≠f(i1)。于是对任意i1,i2∈N且i1≠i2,我们都有f(i2)≠f(i1),即f确实是一个单射。

    特别地,我们还需要注意到f(i2)∈[B\{f(j):j<i2}]∪{f(j):i1≤j<i2}=B\{f(j):j<i1}(因为f(i2)属于这个并集的第一个),而根据定义(1),我们有:

    f(i1)=min(B\{f(j):j<i1})

    即f(i1)是B\{f(j):j<i1}的最小元素,结合f(i2)≠f(i1)于是只能有f(i1)<f(i2),从而f还是一个严格单调递增的函数。因此,不难归纳得到对任意的i∈N,都有i≤f(i)成立。

  • f是满射吗?

    不妨使用反证法,假设它不是满射,从而存在j∈B使得对任意i∈N都有f(i)≠j成立,换言之,即集合:

    (2)S={y∈B:∀i∈N,f(i)≠y}

    是非空的。根据良序原理,存在S的最小元素,于是我们令有:

    k=min(S)

    良序原理告诉我们k∈S。又根据我们在单射证明中的结论,我们知道有f是严格单调递增的且k≤f(k),于是即对任意i≥k,都有k≤f(i),于是对集合S∪{f(i):i≥k}中的任意元素y,我们都有k≤y;进而由于k∈S∪{f(i):i≥k}(因为k属于S),因此k就是集合S∪{f(i):i≥k}的最小元素。然后注意到有:

    S∪{f(i):i≥k}⟺{y∈B:∀i∈N,f(i)≠y}∪{f(i)∈B:i≥k}⟺{y∈B:[对任意i∈N都有f(i)≠y]或[存在i≥k使得f(i)=y]}⟺{y∈B:对任意i∈N且i<k都有f(i)≠y}⟺B\{f(i):i<k}

    于是即k=min(B\{f(i):i<k}),此时返回定义(1),于是即有f(k)=k。从而即“存在一个自然数k使得f(k)=k”,和S定义里面的“对任意自然数i都有f(i)≠k”矛盾,反证假设不成立,反证结束。

    综上,即有对任意的j∈B,都存在i∈N使得f(i)=j,即f是满射。

经过上面的探究我们发现f:N→B同时是单射和满射。也就是说,存在B到N的双射,换言之B与N有相同的基数,这跟我们反证假设中假设的B基数小于N矛盾,于是反证假设不成立,对任意的无限集其基数都不会小于N。

非道路连通但是连通的集合 ​

本例来自知乎用户长白山在问题怎么证明:拓扑学家的曲线连通但不道路连通?下的回答,有删改和变动。

考虑下面的集合:

I:=A∪BA:={(x,sin⁡1x):x∈R+}B:={(0,x):x∈[−1,1]}

先证明I是连通的。

显然B和A都是道路连通的(前者不用多说,后者本身是个连续函数的图,因此道路连通性是显然的),因此根据习题13.4.7中的结论我们知道这两个集合都是连通的。如果I本身是不连通的,那么A和B就是I的两个不同的连通分支,根据习题13.4.9的结论同时有A和B都是I中的闭集。但是注意到对(0,0)∈B,对任意的ε>0都存在N≥0使得12Nπ<ε,从而A中的点(12Nπ,0)距离(0,0)小于ε,这表明(0,0)是B的附着点却不属于B,和B是闭集的结论矛盾。因此导出矛盾后只能有I是连通的。

然后证明I不是道路连通的。

如果I是道路连通的,那么根据道路连通集定义存在某个连续函数γ:[0,1]→I满足γ(0)=(0,0)与γ(1)=(1,sin⁡(1))。相应的,通过对第一个坐标不断应用介值定理,可以得到存在递减的有界序列(tn)n=1∞满足:

γ(tn)=(2(2n+1)π,(−1)n)

注意到(tn)n=1∞递减且有界因此收敛,不妨设其收敛于t,然后由于γ是连续的可以得到序列γ(tn)收敛于γ(t),但是γ(tn)本身发散(第二个坐标不收敛),因此导出了矛盾,I不可能是道路连通的。