上界(upper bound)是一个与偏序集有关的特殊元素,指的是偏序集中大于或等于它的子集中一切元素的元素。若数集S为实数集R的子集有上界,则显然它有无穷多个上界,而其中最小的一个上界常常具有重要的作用,称它为数集S的上确界。
简介
实数集R上的定义
考虑一个
实数集合M。如果有一个实数s,使得M中任何数都不超过s,那么就称s是M的一个上界。
用数学符号表示为:对∀x∈M,都有x≤s,则称s是M的上界(upper bound)。
确界原理:若R的子集M有上界,则必有
上确界;若集合M有下界,则必有
下确界。
上确界定义:设S是R中的一个数集,若数η∈R满足
(i)对∀x∈S,有η≥x,即η是S的上界;
(ii)对∀a<η,存在x0∈S,使得x0>a,即η是S的最小上界(least upper bound),则称η为数集S的上确界;
下确界定义:设S是R的一个数集,若数ξ∈R满足:
(ii)对∀β>ξ,∃x0∈S,使得x0<β,即ξ是S的最大下界(greatest lower bound),则称ξ为数集的S的下确界;
由
戴德金定理证明非空有上界数集必有上确界,非空有下界数集必有下确界同理。
设S为一非空有上界数集,即 成立。取数集B为S所有上界的集合,A=R/B。则:
①由取法可知 ,故 。 ,故 ,因此 。
② 。
③∵A中任何元素都不是S的上界,∴ 。
又∵B中任何元素都是S的上界,∴ 。
故必有 。
∴由戴德金定理可知,要么A中有最大值,要么B中有最小值。设这个值为η,并且 , 恒成立。
假设η是A中的最大值,即 ,那么, 。
又∵ ,∴ 。
但, ,与B中任何元素都是S的上界矛盾。
∴η是B中的最小值,即S有最小上界(上确界)。
举例
对 ,若上确界存在,则是惟一的。一个子集B有上界时它未必有上确界,有上确界也不一定在子集B之中,例如,如概述图中哈塞图表示的以A={a,b,c,d,e}为基本集的一个偏序集,子集B={b,c,d},以a为上界,a {b,c,d}。子集{e,f}的上界与上确界都是 f 。子集{c,d,e}无上界,也无上确界。
非空的完全有序集的每个有限子集都有上界和下界。
例如,5是集合{5,8,42,34,13934}的下界。
另一个例子是对于集合{42},数字42既是上界和下界,所有其他实数都不是该集合的上限或下限。
所有自然数的每个子集都具有下界,因为自然数具有最小元素(0或1,取决于自然数的确切定义)。 自然数的无限子集不能从上面界定。 整数的无限子集可以从下方界定或从上方界定。有理数字的无限子集可能来自也可能不会从下方界定,也可能不限于上述。