数学分析存在覆盖有理数但不能覆盖实数的区间之并——两道相关证明题

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题目

看到这么一个视频,发现算法竞赛味挺浓,而且能看懂,就水了这么一篇blog~

2022年某校数学分析①期末考试,传送门

五、(本题满分20分)

(1)设数列r_n为全体有理数的任意一个排列,记
J = ∪ n = 1 ∞ ( r n − 1 n 2 , r n + 1 n 2 ) J = \\cup_n=1^\\infty(r_n-\\frac1n^2,r_n+\\frac1n^2) J=n=1(rnn21,rn+n21)
证明:J不能覆盖R。

(2)证明:存在全体有理数的一个排列s_n,使得
K = ∪ n = 1 ∞ ( s n − 1 n , s n + 1 n ) K = \\cup_n=1^\\infty(s_n-\\frac1n,s_n+\\frac1n) K=n=1(snn1,sn+n1)
且K不能覆盖R。

作者:hans774882968以及hans774882968以及hans774882968

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本文juejin:https://juejin.cn/post/7183742921538011173

(1)直接放缩

勒贝格测度:区间(a,b)的长度为b-a

显然J的长度≤Σ2/n^2 = π^2/3,是有限的,证毕。

(2)

题干变成了“存在”,说明条件变得苛刻以后,我们能得到的结论也更弱了。(1)的做法不行,因为Σ2/nln(n),不是有限的。

法一:容易理解的放缩做法

有一个结论:Σ1/n, n不含9是收敛的。简单证明如下:

a(n,k)n位第k小不含9的数,则
∑ n 不含 9 1 / n = ∑ n = 1 ∞ ∑ k = 1 8 ∗ 9 n − 1 1 / a ( n , k ) < ∑ n = 1 ∞ 8 ∗ 9 n − 1 1 0 n − 1 = 80 \\sum_n不含91/n = \\sum_n=1^\\infty \\sum_k=1^8*9^n-1 1/a(n,k) < \\sum_n=1^\\infty \\frac8*9^n-110^n-1 = 80 n不含91/n=n=1k=189n11/a(n,k)<n=110n189n1=80

  1. n位不含9的数有8*9^(n-1)个,因为:最高位不能是9,还有8个选择,其他位还有9个选择。
  2. 简单放缩:a(n,k) > 10^(n-1)和一个等比数列求和。

我们将有理数集分为[-1,1]内的和[-1,1]外的,将[-1,1]内的放在s_k下标k含9的部分,[-1,1]外的放在s_k下标k不含9的部分。这两个应该都存在双射但我不是数院学生不清楚细节

  1. s_k下标k含9的部分的(s_k - 1/k,s_k + 1/k)区间并是[-2,2]的子集,所以这个区间并的长度小于4。
  2. s_k下标k不含9的部分的(s_k - 1/k,s_k + 1/k)区间总长度就是上述结论的式子,所以小于160。

于是K的区间总长度小于164,证毕。上面的区间[-1,1]可以选择其他的,同理。

法二:更为构造的做法

要证明的结论等价于:存在无理数x和有理数的一个排列s_n,使得|x - s_n| >= 1/n。更直观的理解是,存在无理数x和有理数的排列,使得x和所有有理数都“不太近”。

和上面的思路一样,对有理数集进行划分,再逐个击破。我们不妨就通过x和有理数的距离,对有理数集进行划分,将有理数集分为:与x距离大于1的,与x距离为[1/n,1/(n+1))的,后者的集合不妨记为I_n。显然只有I_n是有难度的。

I_n的一个元素为a(n,k),则我们要解决的问题是:给a(n,k)分配一个合适的下标。a(n,k)的集合是N+ * N+,即正整数集合和正整数集合的笛卡儿积,所以我们需要给出的是N+ * N+N+的一个双射f(n,k)。我们不妨先按n+k升序排序,再按k升序排序。于是(1,1) -> 1,(2,1) -> 2,(1,2) -> 3,(3,1) -> 4,...。这个双射记为f(n,k)

我们给a(n,k)分配的下标为f(n+1,k+1),这个操作是为了留出一些“空间”,即f(1,k)f(n,1),给与x距离大于1的有理数。最后只需要验证xa(n,k)的距离([1/n,1/(n+1)))大于1/f(n+1,k+1),即验证n+1 <= f(n+1,k+1)。观察上述双射的特例,易得f(n,k) > 1+...+(n+k-2) = (n+k-1)*(n+k-2)/2,所以f(n+1,k+1) > (n+k)*(n+k-1)/2 >= n+1。证毕。

总结

共同点:对有理数集进行划分,然后为每个子集分配合适的下标。

以上是关于数学分析存在覆盖有理数但不能覆盖实数的区间之并——两道相关证明题的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

计算机数学基础

可数与不可数

数学上的R代表啥数

第四回. 实数系的性质

高等数学笔记1

吴裕雄--天生自然 高等数学学习:区间