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怎样证明实数具有阿基米德性

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实数的阿基米德性可通过以下两种主要方法证明,其中反证法是经典且权威的证明方式:

一、反证法(基于实数完备性)

假设与集合构造

假设对任意正实数 $a$ 和 $b$($b > a$),不存在正整数 $n$ 使得 $na > b$。设集合 $S = \{na \mid n \in \mathbb{N}^+\}$,则 $b$ 是 $S$ 的上界。

上界性质推导

根据实数完备性,$S$ 存在最小上界,记为 $\eta$。由于 $\eta$ 是 $S$ 的上界,故对任意 $n \in \mathbb{N}^+$,有 $na \leq \eta$。

矛盾产生

另一方面,$\eta - a$ 也是 $S$ 的上界且 $\eta - a < \eta$。根据 $S$ 的定义,存在 $m \in \mathbb{N}^+$ 使得 $(m+1)a > \eta - a$,即 $ma + a > \eta - a$,从而 $ma > \eta - 2a$。由于 $\eta$ 是最小上界,$ma \geq \eta$,导致 $\eta > \eta - 2a$,矛盾。

结论

假设不成立,故存在正整数 $n$ 使得 $na > b$,实数阿基米德性得证。

二、戴德金分割法(基于实数连续性)

分割构造

对于正实数 $a$ 和 $b$($b > a$),构造实数集 $A = \{na \mid n \in \mathbb{N}^+\}$,其上界为 $b$,下界为 $0$,形成非空集合 $A$。

上界性质推导

根据实数完备性,$A$ 存在最小上界,记为 $\eta$。由于 $\eta$ 是 $A$ 的上界,故对任意 $n \in \mathbb{N}^+$,有 $na \leq \eta$。

矛盾产生

另一方面,$\eta - a$ 也是 $A$ 的上界且 $\eta - a < \eta$。根据 $A$ 的定义,存在 $m \in \mathbb{N}^+$ 使得 $(m+1)a > \eta - a$,即 $ma + a > \eta - a$,从而 $ma > \eta - 2a$。由于 $\eta$ 是最小上界,$ma \geq \eta$,导致 $\eta > \eta - 2a$,矛盾。

结论

假设不成立,故存在正整数 $n$ 使得 $na > b$,实数阿基米德性得证。

总结

两种方法均基于实数的完备性(或连续性),通过反证法或分割构造推导出矛盾,从而证明实数具有阿基米德性。其中反证法因逻辑严密性更受权威文献推崇。