stringtranslate.com

Вложенные интервалы

4 члена последовательности вложенных интервалов

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:

  1. Каждый интервал в последовательности содержится в предыдущем ( всегда является подмножеством ).
  2. Длина интервалов становится произвольно малой (то есть длина падает ниже каждого возможного порогового значения после определенного индекса ).

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).

Историческая мотивация

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:

Вычисление квадратных корней

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.

Пример

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:

Каждый раз, когда вычисляется новая средняя точка, диапазон возможных значений для может быть сужен таким образом, чтобы значения, которые остаются в пределах интервала, были все ближе и ближе к фактическому значению . То есть каждое последующее изменение границ интервала, в котором должно находиться , позволяет оценить значение с большей точностью, либо увеличивая нижние границы интервала, либо уменьшая верхние границы интервала.
Эту процедуру можно повторять столько раз, сколько необходимо для достижения желаемого уровня точности. Теоретически, повторяя шаги бесконечно, можно прийти к истинному значению этого квадратного корня.

Метод Геронса

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 .

Измерение окружности Архимеда

Схема шестиугольника и пятиугольника, описанных вне окружности
Число π можно оценить, вычислив периметры описанных и вписанных многоугольников.

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.

Другие реализации

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 .

Построение действительных чисел

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 .

Определение[1]

Пусть — последовательность замкнутых интервалов типа , где обозначает длину такого интервала. Последовательность вложенных интервалов можно назвать , если

  1. .

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 .

Замечание

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.

Аксиома полноты

Если есть последовательность вложенных интервалов, то всегда существует действительное число, которое содержится в каждом интервале . В формальной записи эта аксиома гарантирует, что

.

Теорема

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.

Примечания

Прямые следствия аксиомы

Наличие корней

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 .

Существование инфимума и супремума в ограниченных множествах

Определение

Если имеет верхнюю границу, т.е. существует число , такое, что для всех , можно назвать число супремумом , если

  1. число является верхней границей , то есть
  2. является наименьшей верхней границей , что означает

Может существовать только одно такое число . Аналогично можно определить инфимум ( ) множества , ограниченного снизу, как наибольшую нижнюю границу этого множества.

Теорема

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:

  1. является верхней границей для всех
  2. никогда не является верхней границей для любого .

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.

Замечание

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 .

Дальнейшие последствия

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.

Дальнейшее обсуждение связанных аспектов

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.

Более высокие измерения

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 .

Смотрите также


Ссылки

  1. ^ Кенигсбергер, Конрад (2004). Анализ 1 . Спрингер. п. 11. ISBN 354040371X.