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证明任意实数x,y之间存在有理数r的思路卡点求提示

证明任意实数x,y之间存在有理数r的思路卡点求提示

嘿,我完全懂你卡在哪了!其实你离突破只差一点点,根本不用绕回要证的结论,换个角度用上确界的定义就能搞定~

首先得给你点个赞,构造集合S={q∈ℚ: q<y}这个思路完全没问题,现在要证sup(S)=y,咱们紧扣上确界的两个核心条件来:

  • 你已经知道y是S的上界,这一步没问题;
  • 关键要证不存在比y更小的数能成为S的上界——换句话说,对任意满足t < y的实数t,总能找到某个有理数q∈S使得q > t。这里不用提前用“有理数稠密”的结论,咱们用阿基米德原理来推就行!

给你具体的提示步骤:

  1. 因为t < y,所以y - t是正实数,根据阿基米德原理,存在正整数n,使得n(y - t) > 1,变形一下就是y - t > 1/n
  2. 现在看所有满足k > t*n的整数k,根据整数的良序性,这里面一定有个最小的整数k₀;
  3. 来推导一下k₀/n < y:假设k₀/n ≥ y,那(k₀ - 1)/n = k₀/n - 1/n ≥ y - 1/n,结合第一步的y - 1/n > t,就会得到(k₀ - 1)/n > t,这和k₀是“大于t*n的最小整数”矛盾,所以k₀/n < y
  4. 这样一来,q = k₀/n就是属于S的有理数,而且q > t,这就说明t不可能是S的上界。

既然任何小于y的数都没法当S的上界,那y自然就是S的最小上界,也就是sup(S)=y啦!接下来你原本想的取ε=y-x找到满足x < r < y的有理数r,就完全顺理成章了~

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Igor Mello

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