华东师大数学分析习题解答1

余年寄山水
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2020年08月13日 02:09
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《数学分析选论》习题解答

第 一 章 实 数 理 论
1.把§1.3例4改为关于下确界的相应命题,并加以证明.
证 设数集
S
有下确界,且
infSS
,试证:
(1)存在数列
{a
n
}S,使lima
n

;
n(2)存在严格递减数列
{a
n
}S,使lima
n
.
n
证明如下:
(1) 据假设,
aS,有a
;且
0,a

S,使得a


.现依
次取

n

1
n
,n1,2,,
相应 地
a
n
S
,使得
a
n

n
,n1,2,
.
因
n
0(n)
,由迫敛性易知
lima
n
< br>.
n
(2) 为使上面得到的
{a
n
}
是严格 递减的,只要从
n2
起,改取

1


nmin

,a
n1

,n2,3,
,

n

就能保证

a
n1(a
n1
)
n
a
n
,n2, 3,
. □
2.证明§1.3例6的(ⅱ).
证 设
A,B
为非空有界数集,
SAB
,试证:
infSmin

infA,infB

.
现证明如下.
由假设,
SAB
显然也是非空有界数集,因而它的下确界 存在.故对任何
xS,有xA或xB
,由此推知
xinfA或xinfB< br>,从而又有
xmin

infA,infB

infS min

infA,infB

.
另一方面,对任何
xA,
有
xS
,于是有


xinfSinfAinfS
;
同理又有
infBinfS
.由此推得
infSmin

infA,infB

.
综上,证得结论
infSmin

infA,infB

成立. □
3.设
A,B
为有界数集,且
AB
.证明:
( 1)
sup(AB)min

supA,supB

;
(2)
inf(AB)max

infA,infB

.
并举出等号不成立的例子.
证 这里只证(2),类似地可证(1).
设
infA,infB
.则应满足:
xA,yB,有x,y
.
于是,
zAB
,必有
z


zmax

,

,
z

这说明
max

,

是AB
的一个下界.由于
AB
亦为有界数集,故其下确界存在,
且因下 确界为其最大下界,从而证得结论
inf

AB

max

infA,infB

成立.
上式中等号不成立的例子确实是存在的.例如:设
A(2,4),B(0,1)(3,5),则AB(3,4)
,
这时
infA2,infB0,而inf(AB)3
,故得

inf

AB

max

infA,infB

. □
4.设
A,B
为非空有界数集.定义数集
AB

cabaA,bB

,
证明:
(1)
sup(AB)supAsupB
;
(2)
inf(AB)infAinfB
.


证 这里只证(2),类似地可证(1).
由假设,
infA,infB
都存在 ,现欲证
inf(AB)
.依据下确界定义,
分两步证明如下:
1)因为
xA,yB,有x,y,
所以
zAB
,必有
zxy
.
这说明
是AB
的一个下界.
2)
0,x
0
A,y
0
B
,使得
x
0


,y
0

.
2
2
从而
z
0
x
0
y
0
AB,使得z
0
()
,故
是AB
的最大下 界.于
是结论
inf(AB)infAinfB
得
证. □
5.设
A,B
为非空有界数集,且它们所含元素皆非负.定义数集
AB

cabaA,bB

,
证明:
(1)
sup(AB)supAsupB
;
(2)
inf(AB)infAinfB
.
证 这里只证(1),类似地可证(2).
asupA,


由于c(A B),aA,bB(a0,b0),使cab,且

bsupB,
< br>csupAsupB,

因此
supAsupB
是
AB
的一个上界.
另一方面,
0,a
0
A,b
0< br>B
,满足
a
0
supA,b
0
supB
,
故
c
0
a
0
b
0
(AB)
,使得
c
0
supAsupB[(supAsupB)]
.
由条件,不妨设
supAsupB0
,故当

足够小时,
< br>
[(supAsupB)]
仍为


一任意小正数. 这就证得
supAsupB
是
AB
的最小上界,即
inf(AB)infAinfB

得证. □


6.证明:一个有序域如果具有完备性,则必定具有阿基米德性.
证 用反证法.倘若有某个完备有序域
F
不具有阿基米德性,则必存在两个正 元素
,从而
,F
,使序列
{n}
中没有一项大于

.于是,
{n}
有上界(

就是一个)
由完备性假设,存 在上确界
sup{n}
.由上确界定义,对一切正整数
n
,有
n
;
同时存在某个正整数
n
0
,使
n
0
.由此得出
(n
0
2)(n
0
1)
,
这导致与
0
相矛盾.所以,具有完备性的有序域必定具有阿基米德性. □
7.试用确界原理证明区间套定理.
证 设

[a
n
,b
n
]

为一区间套,即满足:
a
1
a2
a
n
b
n
b
2
b1
,
n

lim(b
n
a
n
) 0
.
由于

a
n

有上界
b
k
,

b
n

有下界
a
k
(
kN

),因此根据确界原理,存在
sup

a
n

,inf

b
n

,且
.
倘若

,则有
b
n
a
n
0,n1,2,
,
而这与
lim(b
n
a
n
)0
相矛盾,故
 
.又因
a
n
b
n
,n1,2,,
n

所以

是一切
[a
n
,b
n
]
的公共点.
对于其他任一公共点
[a
n
,b
n
],n1,2,
,由于
b
n
a
n

0
,n
,
因此只能是

,这就证得区间套

[a
n
,b
n
]

存在惟一公共点. □
8.试用区间套定理证明确界原理.
S
为一非空有上界的数集,欲证证 设
S
存在上确界.为此构造区间套如下:令
[a1
,b
1
][x
0
,M]
,其中
x
0
S(S),M
为
S
的上界.记
c
1
< br>a
1
b
1
,
2


若
c1
是
S
的上界,则令
[a
2
,b
2
] [a
1
,c
1
]
;否则,若
c
1
不是< br>S
的上界,则令
[a
2
,b
2
][c
1< br>,b
1
]
.一般地,若记
c
n

a
n
b
n
,则令
2

[a,c],c
n
当是S的上界,
[a
n1
,b
n1
]

nn

[c
n
,b
n
],c
n
不是S的上界,
,n1,2,
.
如此得到的

[a
n
,b< br>n
]

显然为一区间套,接下来证明这个区间套的惟一公共点

即为
S
的上确界.
由于上述区间套的特征是:对任何
nΝ
< br>,
b
n
恒为S的上界,而
a
n
则不为
S的
上界,故
xS
,有
xb
n
,再由
li mb
n

,便得
x
,这说明

是
S
的一个上
n
界;又因
lima
n

,故0,a
n

,由于
a
n
不是
S
的上界,因此

更
n
加不是
S
的上界.根 据上确界的定义,证得
supS
.
同理可证,若
S
为非空有下界的数集,则
S
必有下确界. □
9.试用区间套定理证明单调有界定理.
证 设

x
n

为递增且有上界
M
的数列,欲证

x
n
收敛.为此构造区间套如下:令
[a
1
,b
1
][x
1
,M]
;类似于上题那样,采用逐次二等分法构造区间套

[a
n
,b
n
]

,使
a
n
不是
x
n

的上界,
b
n
恒为

x
n

的上界.由区间套定理,
[a
n
,b
n
]
,且使
n
lima
n
limb
n

.下面进一步证明
limx
n

.
nn一方面,由
x
n
b
k
,取k
的极限,得到
x
n
limb
k
,n1,2,
.
k 
另一方面,
0,KΝ

,使a
K
;由于
a
K
不是

x
n

的上界,故
x
N
a
K
;又因

x
n
< br>递增,故当
nN
时,满足
x
n
x
N
.于 是有
a
K
x
N
x
n
,
这就证得
limx
n

.
n
nN
,
同理可证

x
n

为递减而有下界的情形. □


10
.试用区间套定理证明聚点定理.


证 设
S
为实轴上的一个有界无限点集,欲证
S
必定存在聚点.
因S
有界,故
M0
,使得
xM
,
xS
.现设
[a
1
,b
1
][M,M]
,
则
S[a
1
,b
1
]
.然后用逐次二等分法构造一区间套

[a
n
,b
n
]

,使得每次所选择的
[a
n
,b
n
]
都包含了
S
中的无限多个点.由区 间套定理,
[a
n
,b
n
]
,
n
.最后
应用区间套定理的推论,
0,
当
n
充分大时,使得[a
n
,b
n
]
U(;)
;由于
[a< br>n
,b
n
]
中包含了
S
的无限多个点,因此
U(;)
中也包含了
S
的无限多个点,根据
聚点定义,上述
< br>即为点集
S
的一个聚点. □


11
.试用有限覆盖定理证明区间套定理.
证 设

[ a
n
,b
n
]

为一区间套,欲证存在惟一的点
 [a
n
,b
n
],n1,2,
.
下面用反证法来构 造
[a
1
,b
1
]
的一个无限覆盖.倘若

[a
n
,b
n
]

不存在公共点

,< br>则
[a
1
,b
1
]
中任一点都不是区间套的公共点. 于是,
x
[a
1
,b
1
]
,
[a< br>n
,b
n
],使

x[a
n
,b
n
]
.即
U(x;
x
)
与某个
[a
n
,b
n
]
不相交( 注:这里用到了
[a
n
,b
n
]
为
一闭区间 ). 当
x
取遍
[a
1
,b
1
]
时,这无限多个 邻域构成
[a
1
,b
1
]
的一个无限开覆盖:
H 

U(x;
x
)x[a
1
,b
1
]

.
依据有限覆盖定理,存在
[a
1
,b
1]
的一个有限覆盖:
~
HU
i
U(x
i
;
x
i
)i1,2,,NH
,

其中每个邻域
U
i
[a
n
,b
n
],i1,2,,N
.若令
ii
Kmax

n
1
,n
2< br>,,n
N

,
则
[a
K
,b
K
][a
n
i
,b
n
i
],i1,2,,N< br>,从而

[a
K
,b
K
]U
i
,i1,2,,N
. (Ж)
但是
i1

U
i
N
覆盖了
[a
1
,b
1
]
,也就覆盖了
[a
K
,b
K
]
,这 与关系式(Ж)相矛盾.所
以必定存在
[a
n
,b
n
] ,n1,2,
.(有关

惟一性的证明,与一般方法相同.) □


12.设
S
为非空有界数集.证明:
sup|xy|supSinfS
.
x,yS
证 设
infS,supS,且
( 若

,则
S
为单元素集,结论显
然成立 ).记
E|xy|x,yS
首先,
x,yS
,有

,欲证
supE
.
x,y|xy|
,
这说明

是
E
的一个上界.
又因
0,








不再是
S
的上

下

界,故x
0
,y
0
S
,使
2

2
x
0


2

y
0
 
2



|x
0
y
0
| ()
,


所以

是
E
的最小上界,于是所证结论成立. □
13.证明:若数集
S
存在聚点

,则必能找出一个各项互异的数列

x
n

S
,使
n
limx
n

.

证 依据聚点定义,对

1
1,x
1
U( ;
1
)S
.一般地,对于

1

n
min

,

n

x
n

1

,

x
n
U

(;n
)S,n2,3,
.
如此得到的数列

x
n

S
必定满足:
|
x
n

|
|x
n

1
 
|
x
n
x
n

1
,n2,3,
;

|x
n
|
1
0( n)limx
n

. □
n
n

14
.设
S
为实轴上的一个无限点集.试证:若
S
的任一无 限子集必有属于
S
的
聚点,则


(1)
S
为有界集;
(2)
S
的所有聚点都属于
S
.
证 (1)倘若
S
无上界,则对
M
1
1,x
1
S,使x
1
M
1
;一般地,对于
M
n
maxn,x
n
1
,x
n
S,使x
n
M
n
, n2,3,
.这就得到一个各项互异的
点列


x
n

S,使limx
n

.
S
的这个无限子集没 有聚点,与题设条件相矛盾,所
n
以
S
必有上界.同理可证
S< br>必有下界,故
S
为有界集.
(2)因
S
为有界无限点集,故 必有聚点.倘若
S
的某一聚点

0
S
,则由聚点的
性质,必定存在各项互异的数列

x
n

S,使limx
n

0
.据题设条件,

x
n

的惟
n
一聚点

0
应属于
S
,故又导致矛盾.所以
S
的所有聚点都属于
S
. □

15
.证 明:
sup

a
n



a
n

,则必有
lima
n

.举例说明,当上述

属
n
于

a
n

时,结论不一定成 立.
证 利用§
1.3
例4,
a
n

a
n

,使
lima
n
k

,这说 明

是

a
n

的一个
k
n
聚点.又因

又是

a
n

的上界,故< br>
a
n

不可能再有比

更大的聚点.所以

是

a
n

的上极限.
当


a
n

时,结论不一定成立.例如,
sup

1

,1
显然不是

的上

n

n


n

极限. □


1

1


1
< br>
16
.指出下列数列的上、下极限:
n
(1)
1(1 )

n

n

; (2)

;
(1)

2n1




2n
n


; (4)
sin


n

;
4
1




n

n
(3)

cos
3






n
21

sin

. (5)

n


n

解(1)
a
2k
2,a
2k1
0,故lima
n
2,lima
n
0
.
nn


(2)
a
2k

12k11
2 k
,a
2k1




(k)
, 故
4k124k12
lima
n

1
,
2< br>lima
n


1
.
2
n
n 
(3)
1
n
1

2
n
cos
n
1(n)
, 故
3
n
n
nlima
n
lima
n
lima
n
1
.
n8k1,8k3,
n8k2,
n4k,
n8k2
,
n8k1,8k3
.

2
2n

,
2n1

2n

n1
,
n

2n

0
,
(4)
a
n
sin

n14

2n
,


n1

22n
,



2n1
故
li ma
n
2,
n
n
lima
n
2.
1
sin
nn
(n
2

sin< br>1)
n
(n)
,故

2
n
n
n
n
(5)
a
n

n
2

n
lima
n
lima
n
lima
n
. □

17
.设

a
n

为有界数列,证明:
(1)
lim(a
n
)

lima
n
1
; (2)
lim(a
n
)lima
n
.
nn
nn
证 由
kn
sup(a
k
)inf(a
k
),inf(a
k
)sup(a
k
)
,
knkn
kn
令
n
取极限,即得结论(1)与(2). □

18
.设
lima
n
0
,证明:
n
(1)
lim
11

n
a
n
lima
n
n
; (2)
lim
n
11< br>
a
n
lim
a
n
n
;
(3 )若
n
lima
n
lim
n
11
1< br>,或
lima
n
lim
1
,则

an

必定收敛.
a
n
a
nn
n


证 由

1

1

sup



a
k

inf(a)
,
kn

kn
k
令
n
取极限,即得结论(1)与(2).
若

1

1

inf



kn

< br>a
k

sup(a
k
)
kn
,
lima
n
lim
1
1
,则由(1)立即得到
lima
n
lima
n
,因此极限
nn
an
n
n
n
lim

a
n
存 在,即得结论(3).
类似地,若
lima
n
lim
1
a

1
,则由(2)同样可证得(3).
nn
n

10


10



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