从有理数到实数和数的连续体( 二 )


因为实数集里的实数可以铺满直线并且和直线上的点一一对应 , 直线具有连续性 , 那么这个实数集也应该具备相应的连续性 。 Dedekind从直线连续性公理得到启示 , 认为实数集的连续性应该表现出这样的性质:如果把实数集内的 所有数分成两部分 A 1 和 A 2, 以至于 A 1 内的每个数都小于 A 2 内的每个数 , 那么有且仅有一个数能产生这个分割 , 这个数本身可以归为 A 1 这部分的最大数或 A 2 这部分的最小数5。 实数集是连续的 , 所以也称实数集是数的连续体 , 英文number continuum6, 亦译作"数的连续统" 。 上面这条性质可称为数的连续体公理(number continuum axiom) , 因为这条性质是受直线连续性公理启示而提出来的 , 所以也应将它看成是一个给定的事实 , 无需证明 。
至此 , 你也许会高呼:"好了!我们终于有数的连续体了!"但是 , 我们还是必须得摸清楚这个连续体内的情况、搞清楚它具备的其它性质才行 , 不然空有一个概念而不懂其性质 , 那么我们也就无法运用数的连续体 , 最终也只不过是让这个概念形同虚设 , 无所用场 。
有需要的读者请先去了解实数集的这些概念以便继续阅读:上界、最小上界(亦作"上确界" , 英文the least upper bound)、下界、最大下界(亦作"下确界" , 英文the greater lower bound) 。
要学习的首条性质很重要 , 它使得实数集区别于有理数集------ 非空有上界的实数集在实数集内有最小上界(上确界)7, 称为 实数集的最小上界性质(Least upper bound property of R)。
证明:设A是 RR 的非空真子集且有上界 , 那么比A内每个数都大的实数组成的集合C , 余下的实数组成的集合B内的每个数都小于C内的每个数 , 根据数的连续体公理可知有且仅有一个实数c能把实数集分成B和C两部分 , c是B的最小上界 。 另外因为集合B内的每个数都不比A内每个数都大 , 所以A的上界就是B的上界 , 又因为A?B , 所以B的上界就是A的上界 , 综上可知集合A和集合B有共同的最小上界c , 所以有上界的集合A在实数集内有最小上界 。
反过来看 , 如果非空有上界的实数集A在实数集内有最小上界c的话 , 那么不大于c的数组成的集合B包含集合A , 大于c的数组成集合C , 这样实数集就被分成了集合B和C , B里的数都小于C里的数 , 显然c就是唯一产生这个分割的数 。 可见 ,数的连续体公理和实数集最小上界性质可互相导出彼此 , 也就是它们是等价的 , 当然 , 如果我们以实数集最小上界性质作为公理的话 , 那么"数的连续体公理"可以由其推得 , 就应该把它改名作"数的连续体定理"了 , 因为我们要求公理是不需要证明的 。 忽略称谓上区别的问题 , 我们应该记住的是这两条性质是等价的 , 很多书上都以实数集最小上界性质作为刻画实数集连续的根本性质 , 其也被称为完整性(或完备性)公理(或定理)(completeness axiom 或completeness theorem) , 同样 , 至于叫它公理还是定理取决于是否将这条性质看作是给定的事实 。
非空有上界的有理数集在有理数集内就未必有最小上界 , 此处举例说明 。 因为没有平方等于2的有理数, 所以可把有理数分成所有负有理数和平方小于2的非负有理数组成的集合 A 1 = { x ∈ Q | x^ 2 < 2 or x < 0 } 和所有平方大于2的正有理数组成的集合 A 2 = { x ∈ Q | x^ 2 > 2 and x > 0 }, 如果我们在有理数集内讨论 A 1 的最小上界的话 , 那么因为此前文章我们已经证明过中无最大数,所以这个最小上界只可能在 A 2 内 , 如果在 A 2 内有 A 1 的最小上界c的话 , 那么根据已经证明过的 A 2 中无最小数可知 A 2 内有比c更小的有理数b , b仍然大于 A 1 内的所有数 , 所以 A 1 在 A 2 内无最小上界 , 总之 A 1 在有理数集内都没有最小上界 , 由此可见有上界的有理数集在有理数集内不一定有最小上界 , 所以说实数集的最小上界性质使得实数集区别于有理数集 , 而造成这种状况的根本原因还是实数集是连续的而有理数集却不然 。

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