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用实数完备性定理证明闭区间上连续函数的最值性

时间:2022-03-04 10:23:30 浏览量:

大学生实践创新训练项目(项目编号201412917003Y)研究成果之一.

实数的完备性是数学分析学习和讲授中的难点之一,华东师范大学编写的数学分析将该难点进行了分散处理:第一章介绍了确界原理,第二章给出了单调有界定理,第三章给出了连续函数的性质,并得出了闭区间上连续函数的最值性. 第七章在介绍了实数完备性相关定理后,专门安排介绍了闭区间上连续函数的性质(有界性,最值性介值性、一致连续性等)并用多种方法进行了证明. 不少专家学者对闭区间上连续函数性质的证明进行了深入研究. 本课题组研究发现,闭区间连续函数的最值性虽最易直观理解,但作为一门严谨的学科,必须对其进行严密的证明,这类证明方法在诸多文献中鲜有发现. 教材中也仅利用确界原理对其进行了证明. 本文试用实数完备性的主要定理(单调有界原理、致密性定理、闭区间套定理、有限覆盖定理、聚点定理)对闭区间上连续函数的最值性从多角度进行证明,深化了对实数完备性主要定理的应用与理解.

一、预备知识

引理1(确界原理)设S是非空数集,若S有上界,则必有上确界. 若S有下界,必有下确界.

引理2(有界性定理)若函数在闭区间[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上有界.

引理3(单调有界原理)在实数系中,有界的单调数列必有极限.

引理4(致密性定理)有界数列必含有收敛子列.

引理5(闭区间套定理)若{[a,b]}构成一个区间套,则在实数系中存在唯一的一点ξ,使得ξ∈[a,b],n = 1,2,….

引理6(有限覆盖定理)设H为闭区间[a,b]上一个(无限)开覆盖,则从H中可选出有限个开区间来覆盖[a,b]

最大(小)值定理:若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上有最大值和最小值.

二、主要证明

5. 总 结

关于闭区间连续函数的最值性的证明,主要根据不同的定理进行有效的构造. 实数完备性的几大定理,从不同侧面对实数进行了有效的刻画,这些定理是相互等价的. 对同一问题利用实数完备性不同的定理进行证明,一方面验证了定理相互等价,另一方面可以促进学生加深对这些定理内涵及其应用的理解,从而激发其学习兴趣,有效化解了数学分析中的难点问题.

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