1 sup- ja inf-esimerkkejä

Samankaltaiset tiedostot
1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 Supremum ja infimum

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

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

MS-C1540 Euklidiset avaruudet

Lukujoukot. Luonnollisten lukujen joukko N = {1, 2, 3,... }.

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

Konvergenssilauseita

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

Sarjat ja integraalit

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

3 Lukujonon raja-arvo

3 Lukujonon raja-arvo

Vastaoletuksen muodostaminen

Sarjojen suppenemisesta

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Määrätty integraali. Markus Helén. Mäntän lukio

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Vektorilaskenta Luennot / 42. Vektorilaskenta Napakoordinaatit

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.

Johdatus matematiikkaan

Toispuoleiset raja-arvot

Täydellisyysaksiooman kertaus

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

1 Reaaliset lukujonot

Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.

Todistamisessa on tärkeää erottaa tapaukset, kun sääntö pätee joillakin tai kun sääntö pätee kaikilla. Esim. On olemassa reaaliluku x, jolle x = 5.

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

Vektorilaskenta. Luennot / 54

Kaikki kurssin laskuharjoitukset pidetään Exactumin salissa C123. Malliratkaisut tulevat nettiin kurssisivulle.

Alkulukujen harmoninen sarja

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

Johdatus matematiikkaan

a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Lukuteoria. Eukleides Aleksandrialainen (n. 300 eaa)

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Joukot metrisissä avaruuksissa

Surjektion käsitteen avulla kuvauksia voidaan luokitella sen mukaan, kuvautuuko kaikille maalin alkioille jokin alkio vai ei.

(2n 1) = n 2

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

Jordanin sisältö ja Lebesguen ulkomitta

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Analyysi 1. Pertti Koivisto

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Funktiot ja raja-arvo. Pekka Salmi

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Esimerkki kaikkialla jatkuvasta muttei missään derivoituvasta funktiosta

Raja-arvot ja jatkuvuus

Tällöin on olemassa reaalilukuja c, jotka kuuluvat jokaiselle välille I n = [a n, b n ]. Toisin sanoen a n c b n kaikilla n.

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Kuinka määritellään 2 3?

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Johdatus matemaattiseen päättelyyn (5 op)

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

LUKU 6. Mitalliset funktiot

Tenttiin valmentavia harjoituksia

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1 1. ALUKSI. Joukko-oppia

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX

Poistumislause Kandidaatintutkielma

Reaalilukujonoista ja niiden merkityksestä kouluopetuksessa

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Analyysin peruslause

Matematiikan tukikurssi

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Transkriptio:

Alla olevat kohdat (erityisesti todistukset) ovat lähinnä oheislukemista reaaliluvuista, mutta joihinkin niistä palataan myöhemmin kurssilla. 1 sup- ja inf-esimerkkejä Kaarenpituus. Olkoon r: [a, b] R jatkuva; ts. r(t) = (x(t), y(t)) ja funktiot x, y : [a, b] R ovat jatkuvia. Tasokäyrän C = r[a, b] kaarenpituus on { n } l = sup r(t k ) r(t k 1 ) a = t 0 < t 1 < < t n = b, n N. Supremum otetaan siis kaikkien parametrivälin [a, b] äärellisten jakojen suhteen. Ainoastaan murtoviivan C tapauksessa kaarenpituus saadaan suoraan jonkin yksittäisen jaon avulla. Riemann-integraali. Olkoon f : [a, b] R rajoitettu funktio; ts. on olemassa sellainen vakio C R, että f(x) C kaikilla x [a, b]. Muodostetaan välin [a, b] jako ja siihen liittyvä yläsumma a = x 0 < x 1 < x < < x n = b S = n M k (x k x k 1 ), M k = sup{f(x) x k 1 x x k }, ja alasumma s = n m k (x k x k 1 ), m k = inf{f(x) x k 1 x x k }. Aina pätee: (i) s S, vaikka ne laskettaisiin eri jakopisteillä. (ii) Kun jako tihenee, niin s kasvaa ja S pienenee. Funktion f yläintegraali välillä [a, b] on I + = inf{s S on johonkin jakoon liittyvä yläsumma}, ja vastaava alaintegraali välillä [a, b] on I = sup{s s on johonkin jakoon liittyvä alasumma}. 1

Aina pätee I I +. Funktio f on Riemann-integroituva välillä [a, b], jos I + = I. Tällöin merkitään b a f(x) dx = I +. Pätee: Funktio f on Riemann-integroituva välillä [a, b] jokaista ε > 0 vastaa sellainen jako, jossa S s < ε. Täydellisyysaksioma 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. Todistuksen idea: (i) (ii) (iii) (i). (i) (ii): Oletetaan, että (i) on voimassa ja olkoon (a n ) nouseva ja ylhäältä rajoitettu jono. Oletuksesta (i) seuraa, että on olemassa L = sup{a n n N} R. Osoitetaan, että lim n a n = L. Olkoon ε > 0. Koska L ε ei ole joukon {a n n N} yläraja, niin on olemassa sellainen n ε N, että a nε > L ε. Koska (a n ) on nouseva, niin a n a nε > L ε kaikilla n n ε. Tällöin siis L ε < a n L < L + ε aina, kun n n ε. Tästä seuraa, että lim n a n = L, joten ominaisuus (ii) on todistettu. (ii) (iii): Oletetaan, että (ii) on voimassa ja olkoon (I n ) = ([a n, b n ]) pienenevä jono suljettuja välejä. Ehdosta I n+1 I n seuraa, että a n+1 a n ja b n+1 b n kaikilla n N. Lisäksi a n b n b 1 ja b n a n a 1 kaikilla n. Näin ollen jono (a n ) on nouseva ja ylhäältä rajoitettu, jono (b n ) laskeva ja

alhaalta rajoitettu. Oletuksesta (ii) ja sen käänteisestä muodosta (ii) seuraa, että on olemassa raja-arvot a = lim n a n R, b = lim n b n R. Lisäksi suppiloperiaatteen nojalla pätee a b. Kun osoitetaan, että I n = [a, b], niin ominaisuus (iii) on todistettu. (Tapaus a = b on mahdollinen, mutta OK!) a) I n [a, b]: Olkoon x I n. Tällöin x I n kaikilla n, ts. a n x b n kaikilla n, joten suppiloperiaatteen nojalla a x b; ts. x [a, b]. b) [a, b] I n : Olkoon x [a, b]. Koska (a n ) on nouseva ja (b n ) laskeva, niin a n a x b b n kaikilla n; ts. x I n kaikilla n. Näin ollen x I n. (iii) (i): Oletetaan, että (iii) on voimassa ja olkoon A R ylhäältä rajoitettu joukko. Valitaan yksi piste c A ja määritellään jokaisella n pisteet a n, b n R seuraavalla tavalla: Olkoon p n N pienin sellainen luku, jolle on joukon A yläraja, ja merkitään b n = c + p n n a n = c + p n 1 n. Nämä luvut eivät siis ole joukon A ylärajoja millään indeksillä n. Tarkoituksena on soveltaa ehtoa (iii) suljettujen välien I n = [a n, b n ] leikkaukseen. Koska c + p n = c + p n n+1 n on joukon A yläraja, niin p n+1 p n kaikilla n. Toisaalta c + p n n+1 = c + p n 1 n = a n ei ole joukon A yläraja, joten p n+1 > p n kaikilla n. Jäljelle jää kaksi vaihtoehtoa: p n+1 = p n tai p n+1 = p n 1. Tutkimalla molemmat tapaukset erikseen nähdään, että jono (a n ) on nouseva ja (b n ) laskeva; ts. I n+1 I n kaikilla n. Ehdosta (iii) seuraa nyt, että I n. Toisaalta b n = a n +1/ n kaikilla n, joten a = lim n a n = lim n b n = b. Tästä seuraa, että I n = {b}. 3

Lopuksi täytyy vielä osoittaa, että b = sup A, jolloin ominaisuus (i) on todistettu. a) Luku b on joukon A yläraja: Jos x A, niin x b n kaikilla n, joten suppiloperiaatteen nojalla x lim n b n = b. b) Jos b R on joukon A yläraja, niin b b: Vastaoletus: Joukolla A on yläraja b < b. Koska lim n a n = b, niin jollakin indeksillä n 1 on voimassa a n1 > b (valitaan raja-arvon määritelmässä esim. ε = (b b )/). Jonon (a n ) valinnan perusteella a n1 ei ole joukon A yläraja, joten sitä pienempi luku b ei voi sekään olla yläraja. Tämä ristiriita osoittaa vastaoletuksen vääräksi, joten väite on todistettu. 3 Ylinumeroituvuus Lause. Reaalilukujenjoukko on ylinumeroituva, ts. ei ole olemassa surjektiota f : N R. Todistus. (Cantorin diagonaalimenetelmä) Riittää osoittaa, että äärettömien 0 1-jonojen joukko on ylinumeroituva, koska tällaiset jonot a vastaavat yksikäsitteisellä tavalla desimaalilukua 0,a. Vastaoletus: Kaikki 0 1-jonot voidaan indeksöidä luonnollisten lukujen avulla muodossa 1. jono = a 1 = a 11 a 1 a 13.... jono = a = a 1 a a 3... 3. jono = a 3 = a 31 a 3 a 33...... Tässä siis a mn = m:nnen jonon n:s alkio {0, 1}. Tarkastellaan taulukosta muodostettua diagonaalijonoa d = a 11 a a 33... ja muodostetaan uusi jono d vaihtamalla jonon d jokainen alkio operaatiolla a 1 a. Tällöin siis 0 1 ja 1 0. Saatu jono d ei kuitenkaan voi esiintyä yllä olevassa listassa: se ei ole a 1, koska jonojen 1. termit ovat erisuuret; se ei ole a, koska jonojen. termit ovat erisuuret. Yleisesti, d ei ole a n, koska jonojen n:nnet termit ovat erisuuret. Tämä ristiriita osoittaa vastaoletuksen vääräksi, joten lause on todistettu. 4 Irrationaaliluvut Lause. Reaaliluku on irrationaalinen. 4

Todistus. Vastaoletus: On olemassa sellaiset p Z ja q N, että = p/q. Voidaan olettaa, että p ja q ovat keskenään jaottomia, eli niiden suurin yhteinen tekijä on 1. Oletuksesta seuraa = p /q, eli p = q. Tämä tarkoittaa, että p on parillinen, joten p on parillinen (koska parittoman neliö on pariton: (n+1) = (n +n)+1). On siis olemassa k N, jolle p = k. Sijoittamalla aikaisempaan yhtälöön saadaan (k) = q eli q = k. Näin ollen q on parillinen, joten myös q on parillinen. Molemmat luvut p ja q ovat siis parillisia, joka on ristiriita. Vastaoletus on siis väärä, ja lause on todistettu. Lause. (i) Kahden eri reaaliluvun välissä on aina rationaaliluku (ja itse asiassa äärettömän monta). (ii) Kahden eri reaaliluvun välissä on aina irrationaaliluku (ja itse asiassa äärettömän monta). Todistus. (i) Olkoot r < s reaalilukuja. Koska s r > 0, niin on olemassa q N, jolle 1/q < s r. Koska jonon (p/q) p N peräkkäisten termien erotus on 1/q, täytyy jonkin niistä sijaita avoimella välillä ]r, s[. Toistamalla vastaava päättely nähdään, että tällaisia rationaalilukuja on äärettömän monta. (ii) Olkoon taas r < s. Valitaan aluksi kohdassa (i) saatu rationaaliluku r < p/q < s. Tämän jälkeen voidaan valita niin suuri n N, että n < s p q. Luku x = p q + n ]r, s[ on nyt vaadittu irrationaaliluku, koska vastaoletuksesta x = a/b, a Z, b N, seuraa ristiriita ( a = n b p ) Q. q Päättelyä toistamalla saadaan äärettömän monta tällaista irrationaalilukua. 5