В математике последовательность вложенных интервалов можно интуитивно понимать как упорядоченную коллекцию интервалов на числовой прямой с натуральными числами в качестве индекса. Для того чтобы последовательность интервалов считалась вложенной, должны быть выполнены два условия:
Другими словами, левая граница интервала может только увеличиваться ( ), а правая граница может только уменьшаться ( ).
Исторически — задолго до того, как кто-либо определил вложенные интервалы в учебнике — люди неявно строили такие вложения для конкретных расчетных целей. Например, древние вавилоняне открыли метод вычисления квадратных корней чисел. Напротив, знаменитый Архимед построил последовательности многоугольников, которые вписывали и описывали единичную окружность , чтобы получить нижнюю и верхнюю границу для окружности — которая является числом окружности Пи ( ).
Центральный вопрос, который необходимо поставить, — это природа пересечения по всем натуральным числам, или, иначе говоря, множество чисел, которые находятся в каждом интервале (таким образом, для всех ) . В современной математике вложенные интервалы используются как метод построения действительных чисел (чтобы завершить поле рациональных чисел).
Как указано во введении, исторические пользователи математики открыли вложенность интервалов и тесно связанных с ними алгоритмов как методов для конкретных вычислений. Некоторые вариации и современные интерпретации этих древних методов будут представлены здесь:
При попытке найти квадратный корень числа можно быть уверенным, что , что дает первый интервал , в котором нужно найти. Если знать следующий более высокий полный квадрат , можно получить еще лучшего кандидата для первого интервала: .
Другие интервалы теперь можно определить рекурсивно , посмотрев на последовательность средних точек . Учитывая, что интервал уже известен (начиная с ), можно определить
Чтобы выразить это словами, можно сравнить среднюю точку с , чтобы определить, меньше или больше средняя точка . Если средняя точка меньше, можно установить ее как нижнюю границу следующего интервала , а если средняя точка больше, можно установить ее как верхнюю границу следующего интервала. Это гарантирует, что . При такой конструкции интервалы вложены, и их длина уменьшается вдвое на каждом шаге рекурсии. Следовательно, можно получить нижнюю и верхнюю границы для с произвольно хорошей точностью (при достаточном вычислительном времени).
Можно также вычислить , когда . В этом случае , и алгоритм может быть использован путем установки и вычисления обратной величины после того, как будет достигнут желаемый уровень точности.
Чтобы продемонстрировать этот алгоритм, вот пример того, как его можно использовать для нахождения значения . Обратите внимание, что поскольку , первый интервал для алгоритма можно определить как , поскольку обязательно должно быть найдено в этом интервале. Таким образом, используя этот интервал, можно перейти к следующему шагу алгоритма, вычислив среднюю точку интервала, определив, больше или меньше квадрат средней точки 19, и соответственно установив границы следующего интервала перед повторением процесса:
Вавилонский метод использует еще более эффективный алгоритм, который дает точные приближения для еще более быстрого. Современное описание с использованием вложенных интервалов похоже на алгоритм выше, но вместо использования последовательности средних точек используется последовательность, заданная как
Это приводит к последовательности интервалов, заданных и , где , обеспечит точные верхние и нижние границы для очень быстрого. На практике, необходимо рассмотреть только , который сходится к (как, конечно, и нижняя граница интервала). Этот алгоритм является частным случаем метода Ньютона .
Как показано на рисунке, нижняя и верхняя границы для окружности круга могут быть получены с помощью вписанных и описанных правильных многоугольников. При рассмотрении круга с диаметром окружность равна (по определению числа Пи) числу окружности .
Около 250 г. до н.э. Архимед из Сиракуз начал с правильных шестиугольников , длины сторон которых (и, следовательно, окружность) можно напрямую вычислить из диаметра круга. Более того, можно найти способ вычисления длины стороны правильного -угольника из предыдущего -угольника, начиная с правильного шестиугольника ( -угольник). Последовательно удваивая количество ребер до достижения 96-сторонних многоугольников, Архимед достиг интервала с . Верхняя граница все еще часто используется как грубое, но прагматичное приближение .
Около 1600 года нашей эры метод Архимеда все еще был золотым стандартом для вычисления числа Пи и использовался голландским математиком Людольфом ван Кейленом для вычисления более тридцати цифр числа , что заняло у него десятилетия. Вскоре после этого были найдены более мощные методы для вычисления.
Раннее использование последовательностей вложенных интервалов (или их можно описать таковыми с помощью современной математики) можно найти у предшественников исчисления ( дифференцирование и интегрирование ). В информатике последовательности вложенных интервалов используются в алгоритмах для численных вычислений. То есть метод деления пополам может быть использован для вычисления корней непрерывных функций . В отличие от математически бесконечных последовательностей, прикладной вычислительный алгоритм заканчивается в некоторой точке, когда искомый ноль найден или достаточно хорошо приближен .
В математическом анализе вложенные интервалы предоставляют один из методов аксиоматического введения действительных чисел как завершения рациональных чисел , что является необходимостью для обсуждения концепций непрерывности и дифференцируемости . Исторически открытие дифференциального и интегрального исчисления Исааком Ньютоном и Готфридом Вильгельмом Лейбницем в конце 1600-х годов создало огромную проблему для математиков, пытающихся строго доказать свои методы; несмотря на их успехи в физике , технике и других науках. Аксиоматическое описание вложенных интервалов (или эквивалентная аксиома) стало важной основой для современного понимания исчисления.
В контексте данной статьи, в сочетании с и является архимедовым упорядоченным полем , то есть выполняются аксиомы порядка и архимедово свойство .
Пусть — последовательность замкнутых интервалов типа , где обозначает длину такого интервала. Последовательность вложенных интервалов можно назвать , если
Говоря словами, свойство 1 означает, что интервалы вложены в соответствии с их индексом. Второе свойство формализует представление о том, что размеры интервалов становятся произвольно малыми; это означает, что для произвольной константы всегда можно найти интервал (с индексом ) с длиной, строго меньшей этого числа . Стоит также отметить, что свойство 1 немедленно подразумевает, что каждый интервал с индексом должен также иметь длину .
Обратите внимание, что некоторые авторы называют такие интервальные последовательности, удовлетворяющие обоим свойствам выше, сокращающимися вложенными интервалами . В этом случае последовательность вложенных интервалов относится к последовательности, которая удовлетворяет только свойству 1.
Если есть последовательность вложенных интервалов, то всегда существует действительное число, которое содержится в каждом интервале . В формальной записи эта аксиома гарантирует, что
Пересечение каждой последовательности вложенных интервалов содержит ровно одно действительное число .
Доказательство: Это утверждение легко проверяется от противного. Предположим, что существуют два различных числа . Из этого следует, что они отличаются на Поскольку оба числа должны содержаться в каждом интервале, то следует, что для всех . Это противоречит свойству 2 из определения вложенных интервалов; следовательно, пересечение может содержать не более одного числа . Аксиома полноты гарантирует, что такое действительное число существует.
Обобщая алгоритм, показанный выше для квадратных корней, можно доказать, что в действительных числах уравнение всегда можно решить для . Это означает, что существует единственное действительное число , такое что . Сравнивая с разделом выше, можно получить последовательность вложенных интервалов для -го корня из , а именно , проверив, является ли середина -го интервала меньше или равна или больше .
Если имеет верхнюю границу, т.е. существует число , такое, что для всех , можно назвать число супремумом , если
Может существовать только одно такое число . Аналогично можно определить инфимум ( ) множества , ограниченного снизу, как наибольшую нижнюю границу этого множества.
Каждое множество имеет супремум (инфинум), если оно ограничено сверху (снизу).
Доказательство: Без потери общности можно рассмотреть множество , имеющее верхнюю границу. Теперь можно построить последовательность вложенных интервалов , которая имеет следующие два свойства:
Построение следует рекурсии, начиная с любого числа , которое не является верхней границей (например , , где и произвольная верхняя граница ) . При наличии некоторого можно вычислить среднюю точку и определить
Обратите внимание, что эта последовательность интервалов четко определена и, очевидно, по построению является последовательностью вложенных интервалов.
Теперь пусть будет числом в каждом интервале (существование которого гарантируется аксиомой). является верхней границей , в противном случае существует число , такое что . Кроме того, это означало бы существование интервала с , из которого следует, поскольку также является элементом . Но это противоречит свойству 1 супремума (значению для всех ). Поэтому на самом деле является верхней границей .
Предположим, что существует нижняя верхняя граница . Поскольку — последовательность вложенных интервалов, то длины интервалов становятся произвольно малыми; в частности, существует интервал с длиной, меньшей . Но из получаем и, следовательно , . Следуя правилам этого построения, должна была бы быть верхняя граница , что противоречит свойству 2 всех последовательностей вложенных интервалов.
В два этапа было показано, что является верхней границей и что нижняя верхняя граница не может существовать. Следовательно, является супремумом по определению.
Как было замечено, существование супремумов и инфимумов ограниченных множеств является следствием полноты . По сути, эти два понятия эквивалентны, что означает, что любое из них может быть введено аксиоматически.
Доказательство: Пусть с — последовательность вложенных интервалов. Тогда множество ограничено сверху, где каждое — верхняя граница. Это означает, что наименьшая верхняя граница выполняется для всех . Поэтому для всех , соответственно .
После формального определения сходимости последовательностей и точек накопления последовательностей можно также доказать теорему Больцано–Вейерштрасса с использованием вложенных интервалов. В дальнейшем может быть доказан тот факт, что последовательности Коши являются сходящимися (и что все сходящиеся последовательности являются последовательностями Коши). Это, в свою очередь, позволяет доказать свойство полноты выше, показывая их эквивалентность.
Без какого-либо уточнения того, что подразумевается под интервалом, все, что можно сказать о пересечении по всем натуральным числам (т. е. множестве всех точек, общих для каждого интервала), это то, что это либо пустое множество , либо точка на числовой прямой (называемая синглетоном ), либо некоторый интервал.
Возможность пустого перекрестка можно проиллюстрировать, рассмотрев последовательность открытых интервалов .
В этом случае пустое множество получается из пересечения . Этот результат исходит из того факта, что для любого числа существует некоторое значение (а именно любое ), такое, что . Это задается архимедовым свойством действительных чисел. Поэтому, независимо от того, насколько мал , всегда можно найти интервалы в последовательности, такие, что подразумевая, что пересечение должно быть пустым.
Ситуация иная для закрытых интервалов . Если изменить ситуацию выше, посмотрев на закрытые интервалы типа , то это можно увидеть очень ясно. Теперь для каждого всегда можно найти интервалы, не содержащие указанное , но для , свойство справедливо для любого . Можно заключить, что в этом случае .
Можно также рассмотреть дополнение каждого интервала, записанное как - которое в нашем последнем примере равно . По законам Де Моргана дополнение пересечения является объединением двух непересекающихся открытых множеств . По связности действительной прямой между ними должно быть что-то. Это показывает, что пересечение (даже несчетного числа) вложенных, замкнутых и ограниченных интервалов непусто.
В двух измерениях есть похожий результат: вложенные замкнутые диски на плоскости должны иметь общее пересечение. Этот результат был показан Германом Вейлем для классификации сингулярного поведения некоторых дифференциальных уравнений .