עוד חודש וחצי בערך נוכל להגדיר במדויק את R, כעת יש לנו רק הערכה.
כדי להתעמק, נסתכל על ההוכחה של היותו של 2 מספר שאינו רציונלי.
c2=2
טענה:c∈Q. הוכחה: בשלילה
טענה (טענת עזר)
אם n2 זוגי אז n זוגי.
נניח בשלילה כי c∈Q. נרשום c=nm כאשר m,n∈N ו-nm שבר מצומצם. (אין גורם משותף למונה ולמכנה פרט ל-1)
c=nm⟹c2=n2m2=2⟹m2=2n2
לכן: m2 זוגי. ⇐ m זוגי לפי טענת העזר. ⇐ m2 מתחלק ב-4 ⇐ 2n2 מתחלק ב-4. ⇐ n2 מתחלק ב-2, כלומר זוגי ⇐ לפי טענת העזר n זוגי.
מכיוון שגם m וגם n זוגיים השבר אינו מצומצם וכך הגענו לסתירה.
∎
2∈Q
משפט (צפיפות הרציונליים)
לכל x<y∈R קיים q∈Q כך ש-x<q<y.
הוכחה:
נתון y>x ⇐ y−x>0 ⇐(עקרון ארכימדס) קיים n טבעי כך ש-n>y−x1. ⇐ ny−nx>1
⇐ קיים m∈Z כך ש-nx<m<ny. ⇐ x<nm<y.
נסמן q=nm.
∎
ערך מוחלט
הגדרה 1 (ערך מוחלט)
∣x∣={x,x≥0−x,x<0
דוגמה
∣−2∣=2
משפט (הגדרה שקולה)
∣x∣=max{x,−x}
הגדרה שקולה הינה בעצם משפט שצריך להוכיח. (צנזור הוכיח אותו בע"פ)
משמעות גיאומטרית
המרחק של x מ-0. (במרוכבים הערך המוחלט גם מציין מרחק מ-0)
תכונות הערך המוחלט
משפט (תכונות ערך מוחלט)
לכל x,y∈R:
∣x∣≥0
∣x∣≥x,∣x∣≥−x
∣x∣=∣−x∣
∣x∣=0⟺x=0
∣xy∣=∣x∣∣y∣
לתכונה הבאה קוראים אי שוויון המשולש:
6. ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣
לפעמים קוראים לתכונה הבאה אי שוויון המשולש השני:
7. ∣∣x∣−∣y∣∣≤∣x−y∣
בתכונה הבאה אנו הולכים להשתמש מלא בקורס:
8. ∣x∣<M⟺M<x<M
לא נוכיח את כל הסעיפים על מנת לחסוך בזמן. הוכחה:
1️⃣ במידה ב-x≥0 אזי ∣x∣=x≥0. במידה ו-x<0 אזי ∣x∣=−x≥0 ולכן ∣x∣≥0.
2️⃣
3️⃣
4️⃣
5️⃣
6️⃣ לפי 2, ∣x∣≥x, ∣y∣≥y ⇐
∣x∣+∣y∣≥x+y
לפי 2, ∣x∣≥−x, ∣y∣≥−y ⇐
∣x∣+∣y∣≥−(x+y)
⇐ לפי ההגדרה השקולה:
∣x∣+∣y∣≥∣x+y∣
הערה
לאי שוויון המשולש קוראים אי שוויון המשולש מכיוון שבווקטורים/מרוכבים כאשר יש לנו וקטור x ווקטור y, אורך הווקטור השקול בהרכח גדול או שווה לסכום האורכים של x ו-y.
7️⃣
8️⃣
∎
הערה (שימוש בגיאומטריה)
בקורס הזה מומלץ להסתמך על גיאומטריה רק באינטואיציה ולא להוכיח עם גיאומטריה כלל שכן הגיאומטריה יכולה להיות לא מדויקת מספיק
קטעים וסביבות
הגדרה 2 (קטע פתוח)
(a,b)={x∣a<x<b}
הגדרה 3 (קטע סגור)
[a,b]={x∣a≤x≤b}
הערה
[a,b)={x∣a≤x<b}[a,∞)={x∣a≤x}(−∞,b)={x∣x≤b}
הגדרה 4
יהי x0∈R ויהי ε>0 .
הקטע (x0−ε,x0+ε) נקרא ε-סביבה של x0.
הקבוצה A נקראת חסומה מלמעלה אם קיים M כך שלכל x∈A מתקיים x≤M.
הקבוצה A נקראת חסומה מלמטה אם קיים m כך שלכל x∈A מתקיים m≤x.
הקבוצה A נקראת חסומה אם היא חסומה גם מלמטה וגם מלמעלה.
משפט
הקבוצה A חסומה ⇔ קיים K כך שלכל x∈A מתקיים ∣x∣≤K.
הוכחה:
נתון שלכל x∈A, ∣x∣≤K לכן, לפי 8, K≤x≤K.
נגדיר M=K, m=−K ואז לכל x∈A מתקיים x≤M, m≤x.
⇐:
נתון שקיימים m,M כך שלכל x∈A: m≤x≤M. נגדיר K=max{∣M∣,∣m∣} ואז:
−K≤−∣m∣≤−m≤∣m∣(2)m≤x≤M≤(2)∣M∣≤K
⇐ לפי 8,
∣x∣≤K
∎
דוגמה
הקבוצה N חסומה מלמטה על ידי 0,−5 וכו' (−3,2] חסומה: מלמטה על ידי −3 ומלמעלה על ידי 2.
הקבוצה {n1∣n∈N} חסומה מלמטה ע"י 0 ומלמעלה על ידי 1. (אין חסמים מלמטה הגדול מ-0)
סופרמום ואינפימום
הגדרה 7
המספר S נקרא סופרמום של A אם S הוא החסם מלמעלה הכי קטן של A.
המספר I נקרא אינפימום של A אם I הוא החסם מלמטה הכי גדול של A.
אם S∈A הוא נקרא מקסימום ואם I∈A הוא נקרא מינימום.
נסמן: supA,infA,maxA,minA
הערה
לסופרימום קוראים גם חסם עליון ולאינפימום קוראים גם חסם תחתון. אבל צנזור לא ישתמש במינוח הזה וממליץ גם לנו לא.
דוגמה
ל-N אין sup ויש לה infN=minN=1
ל-(−3,2] יש: sup=max=2 ו-inf=−3 ואין לה מינימום.
ל-{n1∣n∈N} יש: sup=max=1, inf=0 ואין מינימום.
טענה
1=0.999
הוכחה: (בעצם שכנוע כי עוד לא הגדרנו את המספרים והזזה של נקודה)
נסמן x=0.99 ⇐ 10x=9.99 ⇐ 10x−x=9 ⇐ 9x=9 ⇐ x=1.
∎
טענה
תהי A={x∈Q∣x2<2} אזי ל-A אין סופרמום ב-Q.
הוכחה:
שיעורי בית (HW)
להוכיח פורמלית
∎
אקסיומה (אקסיומת השלמות)
לכל קבוצה לא ריקה וחסומה מלמעלה של מספרים ממשיים קיים סופרמום ב-R.
משפט (הגדרה שקולה לסופרמום)
S=supA⟺{(1)∀x∈A:x≤S(2)∀ε>0,∃x0∈A:S−ε<x0
הוכחה:
שיעורי בית (HW)
להשלים בבית
∎
משפט
לכל x>0 ולכל n∈N קיים y>0 יחיד שמקיים yn=x (y=nx)
הוכחה: עבור n=2 נא לצפות בווידיאו. (עבור n∈N כללי יש הוכחה ברשימות באתר הקורס.)
∎