rudin数学分析原理答案
### rudin数学分析原理答案解析 #### Problem 1.1: 实数与有理数的性质 **题目:** 若\(r \in \mathbb{Q} \backslash \{0\}\)(即\(r\)是有理数且不为0),\(x \in \mathbb{R} \backslash \mathbb{Q}\)(即\(x\)是无理数),证明\(r + x\)及\(rx\)均不属于\(\mathbb{Q}\)。 **解析:** 本题通过反证法进行证明。 1. **对于\(r + x\):** - 假设\(r + x \in \mathbb{Q}\),则根据\(\mathbb{R}\)和\(\mathbb{Q}\)的域性质,我们有\(x = (r + x) - r\)。 - 因为\(r \in \mathbb{Q}\),所以\((r + x) - r \in \mathbb{Q}\)。 - 这意味着\(x \in \mathbb{Q}\),与前提矛盾。因此\(r + x \not\in \mathbb{Q}\)。 2. **对于\(rx\):** - 同样假设\(rx \in \mathbb{Q}\)。 - 根据题意\(r \neq 0\),可以得到\(x = \frac{rx}{r}\)。 - 由于\(r, rx \in \mathbb{Q}\),根据\(\mathbb{Q}\)的封闭性,\(\frac{rx}{r} \in \mathbb{Q}\)。 - 这与\(x\)是无理数相矛盾,因此\(rx \not\in \mathbb{Q}\)。 **结论:** 由以上证明知,如果\(r\)是有理数且\(x\)是无理数,则\(r + x\)及\(rx\)均为无理数。 --- #### Problem 1.2: 不存在满足\(x^2 = 12\)的有理数 **题目:** 证明不存在\(x \in \mathbb{Q}\)使得\(x^2 = 12\)。 **解析:** 本题同样采用反证法进行证明。 1. **假设存在这样的\(x\):** - 设\(x = \frac{m}{n}\),其中\(m, n \in \mathbb{Z}\),并且\(\frac{m}{n}\)是最简形式。 - 由题意知\(x^2 = 12\),即\(\left(\frac{m}{n}\right)^2 = 12\),从而\(m^2 = 12n^2\)。 - 因为\(12n^2\)能被3整除,所以\(m^2\)也能被3整除。 - 由于3是质数,并考虑到\(\mathbb{Z}\)中的唯一分解定理,可以得出3一定能整除\(m\)。 - 由此可得\(m^2 = 9k^2 = 12n^2\)(其中\(k = \frac{m}{3}\))。 - 进一步分析可知,\(12n^2\)能被9整除,这意味着\(n^2\)能被3整除,从而\(n\)也能被3整除。 - 这与最简分数\(\frac{m}{n}\)的定义相矛盾,因为\(m\)和\(n\)不能同时被同一个数整除。 **结论:** 不存在\(x \in \mathbb{Q}\)使得\(x^2 = 12\)。 --- #### Problem 1.5: 集合的下确界与上确界的性质 **题目:** 设\(A \subset \mathbb{R}\)非空且有下界,设\(-A = \{-a : a \in A\}\)。证明\(\inf(A) = -\sup(-A)\)。 **解析:** 首先证明\(-A\)非空且有上界。 1. **\(-A\)非空且有上界:** - \(A\)中至少有一个元素\(x\),因此\(-x \in -A\)。 - \(A\)有下界\(m\),那么\(-m\)就是\(-A\)的一个上界。 接下来证明\(\inf(A) = -\sup(-A)\)。 1. **\(\inf(A) = -\sup(-A)\)的证明:** - 设\(\sup(-A) = b\),需证明\(\inf(A) = -b\)。 - \(-b\)是\(A\)的一个下界,因为\(b\)是\(-A\)的上界。 - 要证明\(-b\)是最大的下界,假设\(c > -b\),需要证明\(c\)不是\(A\)的下界。 - 由\(c > -b\)得\(-c < b\),故\(-c\)不是\(-A\)的上界。 - 存在\(-a \in -A\)使得\(-a > -c\),即\(a < c\)。 - 因此\(c\)不是\(A\)的下界。 **结论:** 综合以上分析,当\(A\)非空且有下界时,\(\inf(A) = -\sup(-A)\)。 --- ### 总结 以上三个问题分别探讨了实数、有理数和集合的基本性质。通过严格的逻辑推导和反证法的应用,这些问题不仅加深了对这些基本概念的理解,还展示了数学证明的重要性和严谨性。这些问题的解答不仅对于理解数学分析的基本原理非常重要,而且也为进一步学习更高级的数学概念打下了坚实的基础。
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