閉域套定理

區間套定理與單調有界定理、數列的緻密性定理和柯西收斂準則、聚點定理、有限覆蓋定理共同構成實數集完備性的基本定理,並且這六個定理是相互等價的,對於研究實數集的完備性具有重要的意義。

基本介紹

  • 中文名:區間套定理
  • 外文名:theorem of nested interval
  • 別稱:閉區間套定理
  • 套用學科:數學
  • 適用領域範圍:實數的完備性
  • 屬性:實數集完備性的基本定理
定義,定理(閉區間套定理),性質,推論,注,套用領域,

定義

設閉區間列
具有如下性質:
(i)
(ii)
則稱
為閉區間套,或簡稱區間套。
這裡性質(i)表明,構成區間套的閉區間列是前一個套著後一個,即各閉區間的端點滿足如下不等式:

定理(閉區間套定理)

若
是一個區間套,則在實數系中存在惟一的一點
,使得
,即
證 由(1)式,
為遞增有界數列,依單調有界定理,
有極限
,且有
同理,遞減有界數列
也有極限,並按區間套的條件(ii)有
且
聯合(3)、(5)即得(2)式。
最後證明滿足(2)的
是惟一的,設數
也滿足
即由(2)式有
由區間套的條件(ii)得
故有
。

性質

由(4)式容易推得如下很有用的區間套性質。

推論

若
是區間套
所確定的點,則對任給的
,存在
,使得當
時有

注

區間套定理中要求各個區間都是閉區間,才能保證定理的結論是成立的。對於開區間列,如
,雖然其中各個開區間也是前一個包含後一個,且
,但不存在屬於所有開區間的公共點。

套用領域

例 用區間套定理證明連續函式根的存在性定理。
證 設
在區間
上連續,
,並且記
。令
,如果
,結論已經成立。若
,那么
與
有一個小於零,不妨設
,記
。再令
,如果
,結論已經成立。故同樣可設
。那么
在
與
這兩個區間中的某一個區間上端點值異號,並記這個區間為
。將這個過程無限重複下去,就得到一列閉區間
,滿足
(1)
(2)
(3)
由(1)和(2)可知
是一個區間套,由區間套定理,存在
,且有
。因為
在點
連續,所以由(3)得
則必有
。顯然
,它就是
的一個零點。

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