Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Transkriptio

1 Reaaliluvut Reaalilukujen joukko R. Täsmällinen konstruointi palautuu rationaalilukuihin, jossa eri mahdollisuuksia: - Dedekindin leikkaukset - rationaaliset Cauchy-jonot - desimaaliapproksimaatiot. Reaalilukujen ja niiden laskutoimitusten konstruointi ei kuulu tälle kurssille, mutta viimeiseen kohtaan palataan lyhyesti myöhemmin. Reaalilukujen aksiomat 1 (eli tavalliset laskusäännöt) oletetaan tunnetuiksi; poikkeuksena Täydellisyysaksioma, josta kohta lisää. Lisäksi Cauchy-jonoja käsitellään myöhemmin yleisemmässä tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 / 13 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku

2 Jonot Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N = {1, 2, 3,... }. Merkitään (a n ) = (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ). Myöhemmin kurssilla käsitellään yleisemmin metrisen avaruuden jonoja ja funktiojonoja. Lukujono täsmällinen tulkinta on funktio f : N R, jolle f (n) = a n. Jonon indeksöinti voi alkaa myös jostakin muusta arvosta kuin 1. Jos indeksin alkuarvo ei ole tärkeä tai tilanne on muuten selvä, voidaan käyttää merkintää (a n ). 2 / 13

3 Ominaisuuksia Jonojen ominaisuuksia: Lukujono (a n ) on ylhäältä rajoitettu, jos on olemassa sellainen C R, että a n C kaikilla n alhaalta rajoitettu, jos on olemassa sellainen c R, että a n c kaikilla n rajoitettu, jos se on sekä ylhäältä että alhaalta rajoitettu nouseva, jos a n+1 a n kaikilla n laskeva, jos a n+1 a n kaikilla n monotoninen, jos se on nouseva tai laskeva 3 / 13

4 Jonon suppeneminen Määritelmä. Lukujono (a n ) suppenee kohti raja-arvoa L, jos lausekkeen a n L arvo lähestyy nollaa, kun n ; täsmällisemmin: Jokaista ε > 0 vastaa sellainen indeksi n ε N, että a n L < ε aina kun n n ε. Tällöin merkitään lim a n = L. n Jos lukujono ei suppenee, niin se hajaantuu. Idea: Mitä pienempi ε, sitä suurempi n ε tarvitaan. Piirrä kuvio! 4 / 13

5 Yleisiä tuloksia Suppeneva jono on rajoitettu. Suppiloperiaate: Jos a n b n c n jostakin indeksistä alkaen ja lim a n = lim c n = L, n n niin jono (b n ) suppenee ja lim n b n = L. Geometrinen jono (q n ) suppenee, jos suhdeluku 1 < q 1, jolloin sen raja-arvo on joko 0 tai 1. Muissa tapauksissa geometrinen jono hajaantuu. 5 / 13

6 Laskusääntöjä 6 / 13 Jos lim n a n = a, lim n b n = b ja c R, niin lim (a n + b n ) = a + b, n lim (a nb n ) = ab, n lim (c a n) = c a (edellisen erikoistapaus), n lim (a n/b n ) = a/b, jos b 0 (jolloin myös b n 0 jostakin n indeksistä alkaen). Perustelu: Ensimmäinen ja kolmas kaava ovat suoraviivaisia. Toisen kohdalla käytetään epäyhtälöä a n b n ab = (a n b n a n b) + (a n b ab) a n b n b + a n a b ja sitä, että a n C jollakin vakiolla C. Tämän jälkeen väite seuraa suppiloperiaatteesta (tai helposti suoraankin). Neljännen kaavan kohdalla osoitetaan aluksi, että 1/b n 1/b, ja käytetään sen jälkeen tulokaavaa.

7 supremum ja infimum Olkoon A R ylhäältä rajoitettu. Reaaliluku M R on joukon A pienin yläraja eli supremum, jos (i) M on joukon A yläraja, eli a M kaikilla a A; (ii) M M kaikille joukon A ylärajoille M. Tällöin merkitään sup A = M. Jos A ei ole ylhäältä rajoitettu, niin merkitään sup A =. Vastaavalla tavalla määritellään suurin alaraja eli infimum inf A. Rajoitetulle joukolle A on siis [inf A, sup A] pienin suljettu väli, joka sisältää joukon A. Jos sup A A on äärellinen, niin max A = sup A on joukon A suurin alkio. Jos inf A A on äärellinen, niin min A = inf A on joukon A pienin alkio. 7 / 13

8 sup/inf-sovelluksia Supremumin ja infimumin merkitys tulee näkyville sellaisissa tilanteissa, joissa maksimia ja minimiä ei ole olemassa. Esimerkkejä: Parametrisoidun käyrän kaarenpituus. (Kts. luentomoniste) Rajoitetun funktion Riemann-integraali. (Kts. luentomoniste) Joukon läpimitta, joukkojen välinen etäisyys (myöhemmin tällä kurssilla) 8 / 13

9 Täydellisyysaksioma 9 / 13 Reaalilukujen joukon erottaa rationaalilukujen joukosta Q Täydellisyysaksioma, eli jokin seuraavista keskenään yhtäpitävistä ominaisuuksista: (i) Jos A R on ylhäältä rajoitettu joukko, niin sillä on pienin yläraja sup A R. (ii) Nouseva ja ylhäältä rajoitettu reaalilukujono (a n ) n N suppenee kohti raja-arvoa L R. (iii) Jos (I n ) n N on pienenevä jono (inkluusion suhteen, eli I n+1 I n kaikilla n) suljettuja välejä I n R, niin leikkaus I n. n=1 Todistus (i) (ii) (iii) (i) luentomonisteessa. Yhtäpitävä versio (ii) : Laskeva ja alhaalta rajoitettu reaalilukujono (b n ) n N suppenee. Idea: b n = a n.

10 Reaaliluku Kohdat (ii) ja (ii) tarjoavat mahdollisuuden reaaliluvun täsmälliseen määritelmään: Reaaliluku n,d 1 d 2..., jossa kokonaisosa n on kokonaisluku ja desimaalit d 1, d 2, {0, 1, 2,..., 9}, on monotonisen rationaalilukujonon raja-arvo. (n; n,d 1 ; n,d 1 d 2 ; n,d 1 d 2 d 3,... ) 10 / 13

11 Irrationaaliluvut 11 / 13 Suurin osa (kts. loppu) reaaliluvuista x R on irrationaalisia eli niitä ei voida esittää muodossa x = p/q, p Z, q N. Tunnetuimpia esimerkkejä ovat 2. Idea: Jos 2 = p/q, niin p, q ovat parillisia RR. Neperin luku e. Idea: Taylor-polynomin virhearvio (L. Euler 1737). π 3,14... (M. Lambert 1761) Katso esim. Tämän kurssin kannalta tärkeimmät tulokset ovat: Kahden eri reaaliluvun välissä on aina rationaaliluku (ja itse asiassa äärettömän monta) Kahden eri reaaliluvun välissä on aina irrationaaliluku (ja itse asiassa äärettömän monta) Todistukset luentomonisteessa.

12 Algebralliset luvut (oheislukemista) Kaikki rationaaliluvut ovat myös algebrallisia: Rationaaliluku x = p/q toteuttaa konaislukukertoimisen polynomiyhtälön qx p = 0. Vastaavasti irrationaaliluku x = 2 toteuttaa yhtälön x 2 2 = 0. Sen sijaan e ja π eivät ole algebrallisia vaan transkendenttisia lukuja: ne eivät ole minkään kokonaislukukertoimisen polynomin nollakohtia! (e: C. Hermite 1873; π: F. von Lindemann 1882) Suurin osa reaaliluvuista on transkendenttisia, mutta yksittäisen luvun osoittaminen sellaiseksi on yleensä hyvin hankalaa. Esimerkkejä: e π : A.O. Gelfond : T. Schneider / 13

13 Ylinumeroituvuus Reaalilukujen joukko on ylinumeroituva: Ei ole olemassa surjektiota f : N R; ts. mikään reaalilukujono ei voi sisältää kaikkia reaalilukuja. Todistus: Cantorin diagonaalimenetelmä, kts. luentomoniste. 13 / 13