最小上界公理

最小上界公理,又稱為上確界原理,是實分析的公理。之所以稱為公理,是因為它在實分析的公理系統里,不能被除了它本身以外的公理所證明。這個公理聲稱如果實數的非空子集有上界,則它有最小上界。

特點

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這個公理可以用來證明實數集是完備度量空間。有理數集不滿足最小上界公理,因而就不是完備的。一個理想的例子是 。2 當然是這個集合的上界。但是這個集合沒有最小上界 — 對於任何上界 ,我們可以找到上界 有著 。

證明實數集的完備性

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設 是柯西序列。設 S 為這樣一個集合,其中每個實數隻大於序列 中的有限個成員。設 ,以及設 使得 。於是這個序列在這個區間 里出現無限多次,而且只在它的補集裡最多出現有限次。這意味著 , 因此 。另外 是 S 的上界。於是通過 LUB 公理,可以設 b 是S的最小上界,而且 。由三角不等式,當n>N時成立著 。所以 並因此 是完備的。Q.E.D.

等價命題

最小上界公理也可以由其它等價命題所取代,此時最小上界公理改稱為最小上界原理。這些等價命題包括:

•最大下界原理:即下確界原理。與最小上界原理合稱確界原理。

•柯西收斂準則:即上文所證明的實數集完備性。

•收縮區間套原理:任何收縮的區間套恰好能套住一個點。

•單調有界原理:單調有界序列必有極限。

•聚點原理:任何有界序列必有收斂子列。又稱魏爾斯特拉斯聚點原理。

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