03-Cantor 定理与有理数的上确界缺陷


幂集

若 是集合,定义其幂集

例:

若 ,则

定理 15:Cantor 定理

对任意集合 ,

证明:映射 是从 到 的单射,所以

反设存在满射 。定义

因 满射,存在 使 。

  • 若 ,则按 的定义 ;
  • 若 ,则按定义 。

两种情况都矛盾,因此不存在满射,故

于是

存在无穷多个不同层级的无限基数。

实数问题

目标定理是:

存在唯一包含 、且具有最小上界性质的有序域;称其为 。

定义 23:有序集

集合 带有关系 ,若:

  1. 对任意 ,恰有 、、 之一成立;
  2. 若 且 ,则 $x

则 是有序集。

定义 24:上界与下界

对 :

  • 若存在 ,使对所有 有 ,则 有上界, 是其一个上界;
  • 若存在 ,使对所有 有 ,则 是下界。

若 是上界,且不大于任何其他上界,则称为上确界:

类似地,最大的下界称为下确界:

上确界和下确界不一定属于集合本身,也可能不存在。

定义 26:最小上界性质

若有序集 的每个非空、有上界子集 都在 中拥有上确界,则称 具有最小上界性质。

不具有最小上界性质

令

定理 27

若某个 满足 ,则

首先 ,故 。

若 ,可取足够小的 ,例如

Missing \left or extra \right h=\min\left\\{ \frac12, \frac{2-x^2}{2(2x+1)} \right\\},

使

于是 且 ,与 为上界矛盾。

若 ,取

则

且可证明 仍是 的上界,却小于 ,与 为最小上界矛盾。

所以必有 。

定理 28

在 中没有上确界。

若存在 为其上确界,则由定理 27,。但不存在平方等于 2 的有理数。

讲义给出基于良序性质的证明:设

若 ,则 ,因而有最小元素 。令

由 ,有 ,并利用 得

于是 ,与 最小矛盾。

因此 中不存在 ,集合 也没有有理上确界。这正是有理数轴上的“空洞”。


文章作者: Gustavo
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