实数集与函数.

第一章 实数集与函数

§1.1实数

授课章节：第一章 实数集与函数——§1.1 实数 教学目标：使学生掌握实数的基本性质．

教学重点：(1)理解并熟练运用实数的有序性、稠密性和封闭性；

(2)牢记并熟练运用实数绝对值的有关性质以及几个常见的不等式．（它们是分析论证的重要工具）

教学难点：实数集的概念及其应用． 教学方法：讲授．（部分内容自学） 教学过程： 引言

上节课中，我们与大家共同探讨了《分析》这门课程的研究对象、主要内容等话题．从本节课开始，我们就基本按照教材顺序给大家介绍这门课程的主要内容．首先，从大家都较为熟悉的实数和函数开始．

问题： 为什么从“实数”开始．

答：《数学分析》研究的基本对象是函数，但这里的“函数”是定义在“实数集”上的（《复变函数》研究的是定义在复数集上的函数）．为此，我们要先了解一下实数的有关性质． 一、 实数及其性质

(一) 实数(,q p q p

??≠??

????

正分数,有理数为整数且q 0)或有限小数和无限小数.负分数,无理数:用无限不循环小数表示. {}|R x x =--为实数全体实数的集合．

问题: 有理数，无理数的表示不统一，这对统一讨论实数是不利的．为以下讨论的需要，我们把“有限小数”（包括整数）也表示为“无限小数”．为此作如下规定： 对于正有限小数01

,n x a a a =其中009,1,2,,,0,i n a i n a a ≤≤=≠为非负整数,记

0119999n x a a a -=；对于正整数0,x a =则记0(1).9999

x a =-；对于负有限小数（包括负整

数）y ，则先将y -表示为无限小数，现在所得的小数之前加负号．0＝

0.0000

例：2.001 2.0009999

→

3 2.9999

2.001 2.0099993 2.9999

→-→--→

-

利用上述规定，任何实数都可用一个确定的无限小数来表示．但新的问题又出现了：在此规定下，如何比较实数的大小？

(二) 两实数大小的比较

1、定义1：给定两个非负实数01

n x a a a =，01n y b b b =. 其中00,a b 为非负整数，,k k a b (1,2,)k =为整数，09,09k k a b ≤≤≤≤．若有,1,2,

k k a b k ==，则称x 与y 相等，记为

x y =；若00a b >或存在非负整数l ，使得,1,2,

,k k a b k l ==，而11l l a b ++>，则称x 大于y 或y 小

于x ，分别记为x y >或y x <．对于负实数x 、y ，若按上述规定分别有x y -=-或x y ->-，则分别称为x y =与x y <（或y x >）．

规定：任何非负实数大于任何负实数．

2、数比较大小的等价条件（通过有限小数来比较）． 定义2（不足近似与过剩近似）：01

n x a a a =为非负实数，称有理数01n x a a a =为实数x 的n 位不足近似；1

10n n n

x x =+称为实数x 的n 位过剩近似；对于实数01n

x a a a =-，其n 位

不足近似01

1

10

n n

n x a a a =--；n 位过剩近似01n n x a a a =-. 注：实数x 的不足近似n x 当n 增大时不减，即有012;x x x x ≤≤≤≤ 过剩近似n x 当n 增大

时不增，即有01x x x x ≥≥≥

≥． 命题：记01

n x a a a =，01

n

y b b b =为两个实数，则x y >的等价条件是：存在非负整

数n ，使n n x y >（其中n x 为x 的n 位不足近似，n y 为y 的n 位过剩近似）．

命题应用————例１

例1．设,x y 为实数，x y <，证明存在有理数r ，满足x r y <<． 证明：由x y <，知：存在非负整数n ，使得n n x y <．令()

1

2

n n r x y =

+，则r 为有理数，且 n n x x r y y ≤<<≤．即x r y <<．

3、实数常用性质（详见附录Ⅱ．Ｐ２８９－３０２）．

1）封闭性：实数集Ｒ对,,,+-?÷四则运算是封闭的．即任意两个实数的和、差、积、商（除数不为0）仍是实数．

2）有序性：任意两个实数,a b 必满足下列关系之一：,,a b a b a b <>=． 3）传递性：,a b b c a c <>?>．

4）阿基米德性：,,0a b R b a n N ?∈>>??∈使得na b >． 5）稠密性：两个不等的实数之间总有另一个实数． 6）实数集Ｒ与数轴上的点有着一一对应关系．

例2．设,a b R ?∈，证明：若对任何正数ε，有a b ε<+，则a b ≤． 提示：反证法．利用“有序性”，取a b ε=-. 二 、绝对值与不等式（分析论证的基本工具）． （一）绝对值的定义

实数a 的绝对值的定义为,0||0a a a a a ≥?=?-

（二）几何意义

从数轴看，数a 的绝对值||a 就是点a 到原点的距离．认识到这一点非常有用，与此相应，

||x a - 表示就是数轴上点x 与a 之间的距离．

（三）性质

1）||||0;||00a a a a =-≥=?=（非负性）； 2）||||a a a -≤≤；

3）||a h h a h ； 4）对任何,a b R ∈有||||||||||a b a b a b -≤±≤+（三角不等式）； 5）||||||ab a b =?； 6）

||

||

a a

b b =

（0b ≠）． 三、几个重要不等式

(1) ,222ab b a ≥+ .1 sin ≤x . sin x x ≤

(2) 均值不等式: 对,,,,21+∈?R n a a a 记

,1 )(1

21∑==+++=n

i i n i a n n a a a a M (算术平均值)

,)(1

121n

n

i i n n i a a a a a G ????

??==∏= (几何平均值)

.1

1

11111)(1121∑∑===

=

+++=

n

i i

n i i

n

i a n a n a a a n

a H (调和平均值)

有平均值不等式:

),( )( )(i i i a M a G a H ≤≤ 等号当且仅当n a a a === 21时成立.

(3) Bernoulli 不等式: (在中学已用数学归纳法证明过)

,1->?x 有不等式 . ,1)1(N ∈+≥+n nx x n

当1->x 且 0≠x , N ∈n 且2≥n 时, 有严格不等式 .1)1(nx x n +>+ 证 由 01>+x 且>+++++=-++?≠+111)1(1)1( ,01 n n x n x x ).1( )1( x n x n n n +=+> .1)1( nx x n +>+?

(4) 利用二项展开式得到的不等式: 对,0>?h 由二项展开式 ,!

3)2)(1(!2)1(1)1(3

2n n h h n n n h n n nh h ++--+-+

+=+ 有 >+n h )1( 上式右端任何一项.

练习 P4．5

课堂小结：实数：???一 实数及其性质

二 绝对值与不等式.

作业: P4．1．(1)，2．(2)、(3)，3