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上確界與下確界

大三 · 分析

觀念

01/21sup = 1(最大元)inf = 0(不在集合中)S = {1/n : n = 1, 2, 3, …}

集合不一定有最大元(如 (0,1)(0,1)),但在實數中只要非空且有上界就有上確界 (supremum, sup⁡\sup)——最小的上界;同理下確界 (infimum, inf⁡\inf) 是最大的下界。它們可能不屬於集合:sup⁡(0,1)=1\sup(0,1) = 1。

實數的完備性公理:每個非空有上界的子集都有上確界。這是 R\mathbb{R} 與 Q\mathbb{Q} 的本質差別——{x∈Q:x2<2}\{x\in\mathbb{Q}: x^2<2\} 在 Q\mathbb{Q} 裡沒有上確界(2\sqrt2 不是有理數),在 R\mathbb{R} 裡有。沒有這條公理,單調有界數列收斂、中間值定理、極值定理全都不成立。

算例:{1n}\{\frac{1}{n}\} 的 sup⁡=1\sup = 1(最大元)、inf⁡=0\inf = 0(不在集合內);{(−1)n+1n}\{(-1)^n + \frac{1}{n}\} 的 sup⁡=32\sup = \frac{3}{2}、inf⁡=−1\inf = -1。判斷 sup⁡\sup 的刻畫:ss 是上界,且對任何 ε>0\varepsilon>0 都有元素 >s−ε> s - \varepsilon。

sup⁡\sup 與 inf⁡\inf 是定義 lim sup⁡\limsup、黎曼積分(上和下和)、測度的基本語言。

例題

求集合 S={−2−1n2:n∈N}S = \left\{-2 - \frac{1}{n^2} : n\in\mathbb{N}\right\} 的上確界 (supremum)(可含根號;n∈Nn\in\mathbb{N} 從 1 開始)。

看解法與答案

上確界 = 最小的上界,下確界 = 最大的下界;它們不一定屬於集合。

n=1n=1 最小 −3-3;隨 nn 增大趨近 −2-2 但永遠小於,上確界 −2-2 不在集合內。

答案: −2-2

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