(b) Man nennt die Menge M beschränkt, wenn sie nach oben und unten beschränkt ist.

Transkript

1 8 Punktmengen Für die Menge M = { 1 n ; n N } ist 1 = max(m), denn 1 M und 1 n 1 für alle n N. Die Menge M besitzt aber kein Minimum, denn zu jeder Zahl x = 1 n M existiert ein y M mit y < x, etwa y = 1 n+1. Definition 8.1. Sei M R eine Teilmenge von R und seien s, t R reelle Zahlen. (a) Die Menge M heißt nach oben (bzw. nach unten) beschränkt, falls es ein a R gibt mit x a (bzw. mit x a) für alle x M. Jede solche Zahl a heißt obere (bzw. untere) Schranke von M. (b) Man nennt die Menge M beschränkt, wenn sie nach oben und unten beschränkt ist. (c) Die Zahl t heißt Supremum (oder kleinste obere Schranke) von M (geschrieben t = sup M), falls (i) x t für alle x M ist und (ii) für jede Zahl a R mit x a für alle x M gilt, dass t a ist. Man nennt s Infimum (oder größte untere Schranke) von M, falls (i) x s für alle x M ist und (ii) für jede Zahl a R mit x a für alle x M gilt, dass s a ist. Aus den beiden definierenden Bedingungen folgt sofort, dass das Supremum und Infimum einer Menge, wenn sie existieren, eindeutig bestimmt sind. Es gibt eine sehr einfache Beziehung zwischen Suprema und Maxima sowie Infima und Minima von Mengen. Bemerkung 8.. Sei M R und seien s, t R. Dann gilt: (i) t = max(m) genau dann, wenn t = sup M ist und t M gehört. (ii) s = min(m) genau dann, wenn s = inf M ist und s M gehört. Beweis. Sei t = max(m). Nach Definition ist t M und t x für alle x M. Ist a R irgendeine obere Schranke von M, so ist a t, da t M. Also ist t = sup M. Ist umgekehrt t = sup M und t M, so gilt t x für alle x M und daher ist t = max(m). Teil (ii) beweist man entsprechend. Für M R definieren wir M = { x; x M}. Lemma 8.3. Seien M R und t R. Dann gilt t = sup(m) genau dann, wenn t = inf( M) ist. Beweis. Sei t = sup M. Dann ist t x für alle x M und daher t x für alle x M. Ist a R mit a x für alle x M, so ist a x für alle x M. Nach Definition des Supremums ist a t, also a t. Damit ist gezeigt, dass t = inf( M) ist. Die umgekehrte Implikation folgt völlig analog. 41

2 Beschränkte Mengen brauchen weder ein Maximum noch ein Minimum zu besitzen. Mit Hilfe des Intervallschachtelungsprinzips, und damit letztlich der Vollständigkeit von R, zeigen wir, dass sich Suprema und Infima wesentlich besser verhalten in dieser Hinsicht. Satz 8.4. (a) Jede nach oben beschränkte Menge M R hat ein Supremum. (b) Jede nach unten beschränkte Menge M R besitzt ein Infinimum. Beweis. Wegen Lemma 8.3 genügt es, den Teil (a) zu beweisen. Sei also M R nicht leer und nach oben beschränkt. Wir fixieren einen Punkt a 0 M sowie eine obere Schranke b 0 von M und setzen I 0 = [a 0, b 0 ]. Rekursiv kann man abgeschlossene Intervalle I k = [a k, b k ] R wählen so, dass für alle k N gilt (i) I k+1 I k, (ii) Länge (I k ) = ( 1 )k Länge (I 0 ), (iii) b k ist obere Schranke von M und M I k. Seien dazu I 0,..., I k gewählt mit diesen Eigenschaften. Ist a k+b k obere Schranke von M, so setze man a k+1 = a k und b k+1 = a k+b k. Ist a k+b k keine obere Schranke von M, so wähle man a k+1 = a k+b k und b k+1 = b k. Sei I k+1 = [a k+1, b k+1 ]. In jedem Fall ist Länge (I k+1 ) = 1 Länge (I k) = ( 1 )k+1 Länge (I 0 ), die Zahl b k+1 ist obere Schranke von M und I k+1 M. Nach dem Intervallschachtelungsprinzig (Satz 5.5) gibt es ein t R mit k N I k = {t}. Im Beweis von Satz 5.5 haben wir gesehen, dass lim a k = t = lim b k k k ist. Ist x M, so ist x b k für alle k N und damit nach Satz 4.10 auch x t. Sei a R irgendeine obere Schranke von M. Nach Konstruktion gibt es eine Folge (x k ) k N in M mit a k x k b k für alle k N. Nach dem Vergleichskriterium (4.9) und Satz 4.10 ist t = lim k x k gezeigt, dass t = sup M gilt. a. Damit haben wir Beispiele 8.5. (a) Ist (x n ) n N eine monoton wachsende beschränkte Folge in R, so gilt lim n x n = sup{x n ; n N}. Zur Begründung beachte man, dass nach Satz 8.4 das Supremum t = sup{x n ; n N} existiert und dass nach Definition des Supremums zu jedem ɛ > 0 ein n 0 N existiert mit x n0 > t ɛ. Da die Folge (x n ) n N monoton wächst, ist dann t ɛ < x n0 x n t und insbesondere auch x n t < ɛ für alle n n 0. (b) Ist (x n ) eine monoton fallende und beschränkte Folge in R, so gilt entsprechend lim n x n = inf{x n ; n N}. (c) Direkt oder als Anwendung von Teil (b) folgt, dass inf{ 1 n ; n N } = 0. 4

3 (d) Offensichtlich ist inf[a, b] = inf]a, b[= a, sup[a, b] = sup]a, b[= b für alle a, b R mit a < b. Definition 8.6. Sei M R eine Menge und sei (a n ) n N eine Folge in R. (a) Ist M nicht nach oben (bzw. unten) beschränkt, so setzt man sup M = ( bzw. inf M = ). (b) Man nennt den Limes superior und lim n a n := lim sup a n := lim (sup{a k; k n}) R {+, } n n lim n a n := lim inf n a n := lim n (inf{a k; k n}) R {+, } den Limes inferior der Folge (a n ) n N. Hierbei gelte für die konstanten Folgen c n = (n N), d n = (n N) definitonsgemäß lim c n =, n lim d n =. n Als vereinfachende Konvention schreibt man x < und x > für alle x R. Bemerkung 8.7. Zur Wohldefiniertheit von Limes superior und Limes inferior überlege man sich: (a) Für zwei Mengen A B gilt sup A sup B und inf A inf B. (b) Ist (a n ) n N nicht nach oben beschränkt, so gilt sup{a k ; k n} = für alle n N und damit lim n a n =. Ist (a n ) n N nach oben beschränkt, so ist (sup{a k ; k n}) n N eine monoton fallende Folge in R und konvergiert eigentlich gegen ein s R oder uneigentlich gegen. Es ist lim n a n = genau dann, wenn lim n a n = gilt. (c) Zu (b) entsprechende Aussagen gelten für den Limes inferior. Satz 8.8. Sei (a n ) n N eine beschränkte Folge in R. Dann gilt: (a) lim n a n = max{c R; c ist Häufungspunkt von (a n ) n N }. (b) lim n a n = min{c R; c ist Häufungspunkt von (a n ) n N }. Beweis. (a) Sei (a n ) n N eine beschränkte Folge in R. Aus Bemerkung 8.7 (b) folgt, dass s = lim n a n R. Sei ɛ > 0. Dann gibt es nur endlich viele n N mit a n s + ɛ. Denn sonst wäre nach Satz 4.10 s = lim n sup{a k ; k n} s + ɛ. Also liegt jeder Häufungspunkt der Folge (a n ) n N in (, s]. Anderseits gibt es zu jedem gegebenen ɛ > 0 unendlich viele Indizes n N mit a n > s ɛ. Denn sonst gäbe es ein n 0 N mit a k s ɛ für alle k n 0. Folglich wäre sup{a k ; k n 0 } s ɛ und nach Beispiel 8.5 (b) würde folgen, dass s sup{a k ; k n 0 } s ɛ. Da es zu jedem ɛ > 0 unendlich viele 43

4 n N gibt a n > s ɛ und nur endlich viele n N mit a n s + ɛ, ist {n N; a n ]s ɛ, s + ɛ[} unendlich für alle ɛ > 0. Also ist s ein Häufungspunkt der Folge (a n ) n N, der größer oder gleich jedem anderen Häufungspunkt dieser Folge ist. (b) Entsprechend zeigt man, dass lim n a n der kleinste Häufungspunkt von (a n ) n N ist. Korollar 8.9. Eine Folge (a n ) n N in R ist (eigentlich oder uneigentlich) konvergent genau dann, wenn lim n a n = lim n a n ist. In diesem Fall gilt lim n a n = lim n a n = lim n a n. Beweis. Ist (a n ) n N beschränkt, so konvergiert (a n ) n N nach Satz 5.7 dann und nur dann, wenn (a n ) n N genau einen Häufungspunkt besitzt und nach Satz 8.8 ist dies äquivalent zu lim n a n = lim n a n. Offensichtlich stimmen in diesem Fall Limes superior und Limes inferior mit dem Limes überein. Bleibt noch der Fall zu betrachten, dass (a n ) n unbeschränkt ist. Ist (a n ) n N nicht nach oben beschränkt, so konvergiert (a n ) n N (uneigentlich!) genau dann, wenn lim n a n = ist. Dies impliziert, dass lim n a n = lim n a n = ist. Stimmen umgekehrt Limes superior und Limes inferior überein, so ist lim n a n = lim n a n = und daher auch lim n a n =. Ist (a n ) n N nicht nach unten beschränkt, so sieht man entsprechend, dass (a n ) n N konvergiert (uneigentlich!) genau dann, wenn lim n a n = ist bzw. genau dann, wenn lim n a n = lim n a n = gilt. Im Folgenden wollen wir uns überlegen, wie man die Größe (in der Mathematik spricht man von Mächtigkeit) unendlicher Mengen vergleichen kann. Definition Eine Menge M heißt abzählbar, falls es eine surjektive Abbildung ϕ : N M gibt. Offensichtlich ist eine Menge M genau dann abzählbar, wenn es eine Folge (x n ) n N gibt mit {x n ; n N} = M. Beispiel (a) Jede endliche Menge {a 0,..., a N } ist abzählbar. Denn {a 0,..., a N } ist die Menge der Folgenglieder der durch x n = a n für n = 0,..., N, x n = a N für n > N definierten Folge. (b) Die Menge N der natürlichen Zahlen ist abzählbar als Bildmenge der Folge x n = n (n N). (c) Die Menge Z der ganzen Zahlen ist abzählbar als Bildmenge der durch x n = n für n N und x n 1 = n für n N definierten Folge (x n ) n N. (d) Die Menge N = {(i, j); i, j N} ist abzählbar. Eine Folge (x n ) n N mit Bildmenge N erhält man, indem man nacheinander für k = 0, 1,,... die Mengen {(i, j) N ; i + j = k} abzählt: (x n ) n N = ((0, 0), (0, 1), (1, 0), (0, ), (1, 1), (, 0),...). 44

5 (e) Die Vereinigung abzählbar vieler abzählbarer Mengen M n (n N) ist abzählbar. Zum Beweis schreibe man M n in der Form M n = {x nm ; m N} (n N) und beachte, dass die durch ϕ : N M n, (i, j) x ij n N definierte Abbildung surjektiv ist. Da N nach Teil (d) abzählbar ist, gibt es eine surjektive Abbildung ψ : N N. Als Komposition surjektiver Abbildungen ist auch ϕ ψ : N n N M n surjektiv. (f) Auch die Menge Q der rationalen Zahlen ist abzählbar. Dies folgt mit Teil (e), denn Q = { } p ; p { n,..., n} und q {1,..., n} q n N ist eine Darstellung von Q als Vereinigung abzählbar vieler abzählbarer Mengen. Bevor wir zeigen, dass R nicht abzählbar ist, kommen wir noch einmal auf das Eindeutigkeitsproblem für die Darstellung reeller Zahlen als b-adische Brüche zurück (vgl. Satz 5.11). Wir betrachten nur den Fall b = 10. Lemma 8.1. Seien (a k ) k 1, (b k ) k 1 Folgen in {0,..., 9} mit a k 10 k = b k 10 k. k=1 k=1 Dann gilt a k = b k für alle k 1 oder es gibt ein k 0 N mit a k, b k {0, 9} für alle k k 0. Beweis. Sei a k b k für ein k N. Definiere N = min{k N ; a k b k } als die kleinste Zahl mit a N b N. Da alle Ziffern mit kleineren Indizes übereinstimmen, sind auch x := a k 10 k = b k 10 k k=n k=n Darstellungen derselben reellen Zahl x. Ist a N < b N, so folgt aus ( x a N 10 N k = a N 10 N + 9 k=n+1 = (a N + 1)10 N b N 10 N k=1 b k 10 k = x, k=n 10 k ) 10 N dass b N = a N + 1, a k = 9 und b k = 0 für alle k > N gilt. Ist a N > b N, so folgt genauso, dass a N = b N + 1, b k = 9 und a k = 0 für alle k > N gilt. 45

6 Genauso wie im obigen Beweis zeigt man, dass sich zwei Ziffernfolgen (a n ) n k, (b n ) n k in {0,..., b 1} derart, dass die b-adischen Brüche mit diesen Ziffernfolgen dieselbe reelle Zahl darstellen, in der ersten voneinander verschiedenen Ziffer höchstens um 1 unterscheiden können und dass von dieser Stelle an in der Ziffernfolge, in der an dieser Stelle die kleinere Ziffer steht, nur noch die Ziffer b 1 und in der anderen Ziffernfolge nur noch die Ziffer 0 vorkommen kann. Satz Die Menge R der reellen Zahlen ist nicht abzählbar. Beweis. Wir nehmen an, R sei abzählbar. Eine einfache Überlegung zeigt, dass jede Teilmenge einer abzählbaren Menge abzählbar ist. Also gibt es eine Folge (x n ) n 1 in R mit {x n ; n 1} =]0, 1[. Die Dezimalbruchentwicklung der Zahlen x n (siehe Satz 5.11) hat die Form x 1 = 0, a 11 a 1 a x = 0, a 1 a a 3... x 3 = 0, a 31 a 3 a Da die reelle Zahl c = 0, c 1 c c 3... mit den Ziffern c k = 1, falls a kk 1, c k =, falls a kk = 1, in ]0, 1[ liegt, müsste es ein n N geben mit c = x n. Da in der Dezimalbruchentwicklung von c weder die Zahl 0 noch die Zahl 9 vorkommt, müssten nach Satz 8.1 alle Ziffern in der Entwicklung von c und von x n übereinstimmen. Dies ist nicht möglich, da c so definiert wurde, dass c n a nn ist. Dieser Widerspruch zeigt, dass R nicht abzählbar ist. Korollar (a) Kein Intervall ]a, b[ R mit a < b ist abzählbar. (b) Die Menge R \ Q der irrationalen Zahlen ist nicht abzählbar. Beweis. (a) Da für a, b R mit a < b die Abbildung ϕ : ]0, 1[ ]a, b[, ϕ(t) = a + t(b a) bijektiv ist und da ]0, 1[ nach dem letzten Beweis nicht abzählbar ist, kann auch das Intervall ]a, b[ nicht abzählbar sein. (b) Nach Beispiel 8.11 (f) ist Q abzählbar und nach 8.11 (e) ist insbesondere die Vereinigung zweier abzählbarer Mengen abzählbar. Die Annahme, dass R \ Q abzählbar ist, würde zu dem Widerspruch führen, dass auch R = Q (R \ Q) abzählbar wäre. 46