确界的倒数性质证明

确界的倒数性质证明

设SSS为正实数构成的非空集合,且存在上界,则:

inf⁡{1s∣s∈S}=1sup⁡S \inf\{\frac{1}{s}|s\in S\}=\frac{1}{\sup S} inf{s1∣s∈S}=supS1

证明:

设M=sup⁡SM=\sup SM=supS,则对于集合SSS中所有的元素s∈Ss\in Ss∈S,有s≤Ms\leq Ms≤M,两边同时取倒数(正数两边取倒数,不等号反向),有1s≥1M\frac 1s\geq\frac1 Ms1≥M1,说明1M\frac1 MM1是集合{1s}\{\frac1 s\}{s1}的一个下界。

下面证明1M\frac1 MM1是集合{1s}\{\frac1 s\}{s1}的下确界

  1. 用ε−δ\varepsilon-\deltaε−δ语言搭桥
    考虑这样一个关于xxx的方程f(x)=1M−x(0<x<M)f(x)=\frac{1}{M-x}(0<x<M)f(x)=M−x1(0<x<M),因为反比例函数在定义域内连续,所以
    lim⁡x→0+1M−x=1M \lim_{x\to0^+}{\frac1 {M-x}}=\frac1 M x→0+limM−x1=M1
    即∀ε>0,∃δ>0\forall\varepsilon>0,\exists\delta>0∀ε>0,∃δ>0,当0<x<δ0<x<\delta0<x<δ时,使得
    ∣1M−x−1M∣<ε⟹1M−x<1M+ε |\frac1 {M-x}-\frac1 M|<\varepsilon\\2ex \Longrightarrow\frac 1{M-x}<\frac1 M+\varepsilon ∣M−x1−M1∣<ε⟹M−x1<M1+ε
    对于上述的xxx,一定可以找到一个元素s0s_0s0,使得s0>M−xs_0>M-xs0>M−x,两边同时取倒数,得
    1s0<1M−x<1M+ε \frac1 {s_0}<\frac1 {M-x}<\frac1 M+\varepsilon s01<M−x1<M1+ε
    所以,对于任意给定的ε>0\varepsilon>0ε>0,可以通过方程f(x)f(x)f(x)找到符合条件的xxx,再通过xxx可以找到集合SSS中的元素s0s_0s0,从而找到集合{1s}\{\frac1 s\}{s1}中的元素1s0\frac1 {s_0}s01,使得1s0\frac1 {s_0}s01满足
    1s0<1M+ε \frac1 {s_0}<\frac1 M+\varepsilon s01<M1+ε
    这就证明了1M\frac1 MM1是集合{1s}\{\frac1 s\}{s1}的下确界。
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