完成#3翻译定理的名字

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若极限不存在,或 $x_0\not\in X$,或 $x_0$ 不是 $X$ 的极限点,则称 $f$ 在 $x_0$ 处不可微。 若极限不存在,或 $x_0\not\in X$,或 $x_0$ 不是 $X$ 的极限点,则称 $f$ 在 $x_0$ 处不可微。
- **命题 10.1.2Newton 逼近)**:设 $X\subseteq \mathbb R$$x_0\in X$ 且是 $X$ 的极限点,$f:X\to \mathbb R$ 是函数,$L$ 是实数。 - **命题 10.1.2牛顿逼近)**:设 $X\subseteq \mathbb R$$x_0\in X$ 且是 $X$ 的极限点,$f:X\to \mathbb R$ 是函数,$L$ 是实数。
那么 $f$ 在 $x_0$ 处可微且导数为 $L$,当且仅当,对于任意 $\varepsilon>0$,都存在 $\delta>0$,使得对于任意 $x\in X$ 且 $|x-x_0|\leq\delta$,都有 $|f(x)-(f(x_0)+L(x-x_0))|\leq\varepsilon|x-x_0|$。 那么 $f$ 在 $x_0$ 处可微且导数为 $L$,当且仅当,对于任意 $\varepsilon>0$,都存在 $\delta>0$,使得对于任意 $x\in X$ 且 $|x-x_0|\leq\delta$,都有 $|f(x)-(f(x_0)+L(x-x_0))|\leq\varepsilon|x-x_0|$。

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我们需要一个公理来引入无限集合: 我们需要一个公理来引入无限集合:
- **公理 3.1.10(无限)**:存在一个集合 $\mathbb{N}$,其元素叫作自然数,满足 $0$ 是 $\mathbb{N}$ 中的一个对象,并且对于任意 $n\in\mathbb{N}$,由 $n$ 所指定的满足 Peano 公理的对象 $n++$ 也在 $\mathbb{N}$ 中。 - **公理 3.1.10(无限)**:存在一个集合 $\mathbb{N}$,其元素叫作自然数,满足 $0$ 是 $\mathbb{N}$ 中的一个对象,并且对于任意 $n\in\mathbb{N}$,由 $n$ 所指定的满足皮亚诺公理的对象 $n++$ 也在 $\mathbb{N}$ 中。
这是假设 2.1.6 的更正式的形式。自然数集引入了无限集合的一个最基本的例子。 这是假设 2.1.6 的更正式的形式。自然数集引入了无限集合的一个最基本的例子。

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同理可证 $L_b^-=(L_a^-)^q$。根据命题 6.4.4.7,有 $L_a^-=L_a^+=L$,那么 $L_b^-=L_b^+=L^q$,那么 $(b_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛到 $L^q$。 同理可证 $L_b^-=(L_a^-)^q$。根据命题 6.4.4.7,有 $L_a^-=L_a^+=L$,那么 $L_b^-=L_b^+=L^q$,那么 $(b_n)_{n=m}^{\infty}$ 收敛到 $L^q$。
- **命题 6.7.5**:设实数 $x,y>0$ 和实数 $\alpha=\lim\limits_{n\to\infty}a_n,\beta=\lim\limits_{n\to\infty}b_n$,其中 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 和 $(b_n)_{n=m}^{\infty}$ 都是比例数序列 。 - **命题 6.7.5(实数的指数运算的基本性质)**:设实数 $x,y>0$ 和实数 $\alpha=\lim\limits_{n\to\infty}a_n,\beta=\lim\limits_{n\to\infty}b_n$,其中 $(a_n)_{n=m}^{\infty}$ 和 $(b_n)_{n=m}^{\infty}$ 都是比例数序列 。
1. $x^\alpha>0$。 1. $x^\alpha>0$。

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有限序列上的级数满足很多我们耳熟能详的性质: 有限序列上的级数满足很多我们耳熟能详的性质:
- **引理 7.1.2**:设整数 $m,n$ 满足 $m\leqslant n$ 和有限序列 $(a_i)_{i=m}^n,(b_i)_{i=m}^n$。 - **引理 7.1.2(有限级数的基本性质)**:设整数 $m,n$ 满足 $m\leqslant n$ 和有限序列 $(a_i)_{i=m}^n,(b_i)_{i=m}^n$。
1. 设整数 $p$ 满足 $m\leqslant p<n$ $\sum\limits_{i=m}^pa_i+\sum\limits_{i=p+1}^{n}a_i=\sum\limits_{i=m}^na_i$。 1. 设整数 $p$ 满足 $m\leqslant p<n$ $\sum\limits_{i=m}^pa_i+\sum\limits_{i=p+1}^{n}a_i=\sum\limits_{i=m}^na_i$。
2. 设 $k$ 是整数,则 $\sum\limits_{i=m}^na_i=\sum\limits_{j=m+k}^{n+k}a_{j-k}$。 2. 设 $k$ 是整数,则 $\sum\limits_{i=m}^na_i=\sum\limits_{j=m+k}^{n+k}a_{j-k}$。
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有限集合上的求和依赖于有限级数,也类似地会导出很多性质: 有限集合上的求和依赖于有限级数,也类似地会导出很多性质:
- **命题 7.1.4**:除特殊说明,默认 $X$ 为基数为 $n$ 的有限集合,$f:X\to\mathbb R$ 为函数。 - **命题 7.1.4(有限集合上求和的基本性质)**:除特殊说明,默认 $X$ 为基数为 $n$ 的有限集合,$f:X\to\mathbb R$ 为函数。
1. 若 $X=\{x_0\}$,那么 $\sum\limits_{x\in X}f(x)=f(x_0)$。 1. 若 $X=\{x_0\}$,那么 $\sum\limits_{x\in X}f(x)=f(x_0)$。
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**证明**:设 $Z:=Y\setminus X$,那么 $Y=X\cup Z$ 且 $X\cap Z=\varnothing$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)+\sum\limits_{z\in Z}f(z)=\sum\limits_{y\in Y}f(y)$。可以归纳证明 $\sum\limits_{z\in Z}f(z)\geqslant 0$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leqslant \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。 **证明**:设 $Z:=Y\setminus X$,那么 $Y=X\cup Z$ 且 $X\cap Z=\varnothing$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)+\sum\limits_{z\in Z}f(z)=\sum\limits_{y\in Y}f(y)$。可以归纳证明 $\sum\limits_{z\in Z}f(z)\geqslant 0$,于是 $\sum\limits_{x\in X}f(x)\leqslant \sum\limits_{y\in Y}f(y)$。
- **命题 7.4.2**:设 $\sum\limits^{\infty}_{n=s}a_n$ 是收敛的非负实数的级数,并设 $f:\mathbb Z_{s..}\to\mathbb Z_{s..}$ 是双射,那么 $\sum\limits^{\infty}_{m=s}a_{f(m)}$ 也收敛到同一实数。 - **命题 7.4.2(非负级数的重排)**:设 $\sum\limits^{\infty}_{n=s}a_n$ 是收敛的非负实数的级数,并设 $f:\mathbb Z_{s..}\to\mathbb Z_{s..}$ 是双射,那么 $\sum\limits^{\infty}_{m=s}a_{f(m)}$ 也收敛到同一实数。
**证明**:只需证明 $S_N:=\sum\limits_{n=s}^Na_n$ 和 $T_M:=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}$ 拥有同样的上确界。设 $L=\sup(S_N)_{N=s}^{\infty}$。 **证明**:只需证明 $S_N:=\sum\limits_{n=s}^Na_n$ 和 $T_M:=\sum\limits_{m=s}^Ma_{f(m)}$ 拥有同样的上确界。设 $L=\sup(S_N)_{N=s}^{\infty}$。

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**证明**:存在 $h:\mathbb N\to X$ 是双射。那么 $g^{-1}\circ h$ 是 $\mathbb N$ 到 $Y$ 的双射,那么 $\sum\limits_{y\in Y}f(g(y))=\sum\limits_{n=0}^{\infty}f(g(g^{-1}(h(n))))=\sum\limits_{n=0}^{\infty}f(h(n))=\sum\limits_{x\in X}f(x)$。 **证明**:存在 $h:\mathbb N\to X$ 是双射。那么 $g^{-1}\circ h$ 是 $\mathbb N$ 到 $Y$ 的双射,那么 $\sum\limits_{y\in Y}f(g(y))=\sum\limits_{n=0}^{\infty}f(g(g^{-1}(h(n))))=\sum\limits_{n=0}^{\infty}f(h(n))=\sum\limits_{x\in X}f(x)$。
- **定理 8.2.3(关于无限和的 Fubini 定理)**:设函数 $f:\mathbb N\times \mathbb N\to \mathbb R$ 满足 $\sum\limits_{(n,m)\in\mathbb N\times \mathbb N}f(n,m)$ 是绝对收敛的,那么 $\sum\limits_{n=0}^{\infty}\sum\limits^{\infty}_{m=0}f(n,m)=\sum\limits_{(n,m)\in\mathbb N\times \mathbb N}f(n,m)$。 - **定理 8.2.3(关于无限和的富比尼定理)**:设函数 $f:\mathbb N\times \mathbb N\to \mathbb R$ 满足 $\sum\limits_{(n,m)\in\mathbb N\times \mathbb N}f(n,m)$ 是绝对收敛的,那么 $\sum\limits_{n=0}^{\infty}\sum\limits^{\infty}_{m=0}f(n,m)=\sum\limits_{(n,m)\in\mathbb N\times \mathbb N}f(n,m)$。
**证明**:任取双射 $g:\mathbb N\to\mathbb N\times \mathbb N$,那么 $\sum\limits^{\infty}_{k=0}f(g(k))$ 是绝对收敛的。 **证明**:任取双射 $g:\mathbb N\to\mathbb N\times \mathbb N$,那么 $\sum\limits^{\infty}_{k=0}f(g(k))$ 是绝对收敛的。
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#### 8.3 不可数的集合 #### 8.3 不可数的集合
- **定理 8.3.1Cantor 定理)**:设 $X$ 是任意集合,那么 $X$ 和 $2^X$ 不可能拥有同样的基数。 - **定理 8.3.1康托尔定理)**:设 $X$ 是任意集合,那么 $X$ 和 $2^X$ 不可能拥有同样的基数。
**证明**:反证。假设存在一个双射 $f:X\to 2^X$。考虑集合 $A:=\{x\in X:x\not\in f(x)\}$。显然 $A\in 2^X$,那么存在 $x\in X$ 满足 $f(x)=A$。然后发现,无论 $x$ 是否属于 $A$,都会引出矛盾。 **证明**:反证。假设存在一个双射 $f:X\to 2^X$。考虑集合 $A:=\{x\in X:x\not\in f(x)\}$。显然 $A\in 2^X$,那么存在 $x\in X$ 满足 $f(x)=A$。然后发现,无论 $x$ 是否属于 $A$,都会引出矛盾。
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然后可以证明 $g$ 是双射。故 $A,B$ 具有相同的基数。 然后可以证明 $g$ 是双射。故 $A,B$ 具有相同的基数。
- **定理 8.3.6Schröder-Bernstein 定理)**:设 $A,B$ 是集合,满足 $A$ 的基数小于等于 $B$ 的基数、$B$ 的基数小于等于 $A$ 的基数,那么 $A,B$ 有相同的基数。 - **定理 8.3.6施罗德-伯恩斯坦定理)**:设 $A,B$ 是集合,满足 $A$ 的基数小于等于 $B$ 的基数、$B$ 的基数小于等于 $A$ 的基数,那么 $A,B$ 有相同的基数。
**证明**:存在 $f:B\to A$ 和 $g:A\to B$ 是单射。那么 $g(A)\subseteq B$,且 $(g\circ f)$ 是 $B\to g(A)$ 的单射。于是根据引理 8.3.4,可知 $B$ 和 $g(A)$ 具有相同的基数,从而 $B$ 和 $A$ 具有相同的基数。 **证明**:存在 $f:B\to A$ 和 $g:A\to B$ 是单射。那么 $g(A)\subseteq B$,且 $(g\circ f)$ 是 $B\to g(A)$ 的单射。于是根据引理 8.3.4,可知 $B$ 和 $g(A)$ 具有相同的基数,从而 $B$ 和 $A$ 具有相同的基数。
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//这个定理的证明感觉太麻烦了,想找个简单点的,但是不太好想,姑且留给 slc 作为习题。 //这个定理的证明感觉太麻烦了,想找个简单点的,但是不太好想,姑且留给 slc 作为习题。
- **引理 8.5.9Zorn 引理)**:设 $(X,\leq)$ 是非空偏序集,满足 $\leq$ 是定义在 $X$ 上的。若对于任意 $Y\subseteq X$ 且 $(Y,\leq)$ 是全序集,都存在上界,那么 $X$ 至少含有一个最大元。 - **引理 8.5.9佐恩引理)**:设 $(X,\leq)$ 是非空偏序集,满足 $\leq$ 是定义在 $X$ 上的。若对于任意 $Y\subseteq X$ 且 $(Y,\leq)$ 是全序集,都存在上界,那么 $X$ 至少含有一个最大元。
**证明**:任选 $x_0\in X$,根据引理 8.5.8,存在一个良序集 $Y\subseteq X$,它以 $x_0$ 为最小元,且没有严格上界。又由于 $Y$ 有上界,于是存在 $x\in Y$,使得对于任意 $y\in Y$ 都有 $y\leq x$。而若存在 $M\in X$ 使得 $x<M$则对于任意 $y\in Y$ 都有 $y<M$于是 $Y$ 有严格上界矛盾故不存在 $M\in X$ 使得 $x<M$。 **证明**:任选 $x_0\in X$,根据引理 8.5.8,存在一个良序集 $Y\subseteq X$,它以 $x_0$ 为最小元,且没有严格上界。又由于 $Y$ 有上界,于是存在 $x\in Y$,使得对于任意 $y\in Y$ 都有 $y\leq x$。而若存在 $M\in X$ 使得 $x<M$则对于任意 $y\in Y$ 都有 $y<M$于是 $Y$ 有严格上界矛盾故不存在 $M\in X$ 使得 $x<M$。

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- **定义 9.1.12(有界集合)**:设 $X\subseteq \mathbb R$。称 $X$ 是有界的,当且仅当存在实数 $M\geq 0$,使得 $X\subseteq[-M,M]$。称 $X$ 是无界的,当且仅当 $X$ 不是有界的。 - **定义 9.1.12(有界集合)**:设 $X\subseteq \mathbb R$。称 $X$ 是有界的,当且仅当存在实数 $M\geq 0$,使得 $X\subseteq[-M,M]$。称 $X$ 是无界的,当且仅当 $X$ 不是有界的。
- **定理 9.1.13(直线上的 Heine-Borel 定理)**:设 $X\subseteq \mathbb R$。那么 $X$ 是闭的并且是有界的,当且仅当,对于任意 $(a_n)_{n=0}^{\infty}$ 是由 $X$ 的元素组成的序列,都存在一个子序列收敛到 $X$ 中的某数 $L$。 - **定理 9.1.13(直线上的海涅-博雷尔定理)**:设 $X\subseteq \mathbb R$。那么 $X$ 是闭的并且是有界的,当且仅当,对于任意 $(a_n)_{n=0}^{\infty}$ 是由 $X$ 的元素组成的序列,都存在一个子序列收敛到 $X$ 中的某数 $L$。
**证明**:结合定理 6.6.6 和推论 9.1.8 可证。 **证明**:结合定理 6.6.6 和推论 9.1.8 可证。
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//习题9.6.1很有意思,我另外补充一道:构造函数 $f:[0,\infty)\to\mathbb R$它连续并有界但没有最大值也没有最大值。一起留给slc作为习题。 //习题9.6.1很有意思,我另外补充一道:构造函数 $f:[0,\infty)\to\mathbb R$它连续并有界但没有最大值也没有最大值。一起留给slc作为习题。
#### 9.7 值定理 #### 9.7 值定理
- **定理 9.7.1值定理)**:设 $a,b$ 是实数满足 $a<b$$f:[a,b]\to\mathbb R$ 是连续函数$y$ 是介于 $f(a)$ $f(b)$ 之间的实数那么存在 $c\in[a,b]$ 使得 $f(c)=y$。 - **定理 9.7.1值定理)**:设 $a,b$ 是实数满足 $a<b$$f:[a,b]\to\mathbb R$ 是连续函数$y$ 是介于 $f(a)$ $f(b)$ 之间的实数那么存在 $c\in[a,b]$ 使得 $f(c)=y$。
**证明**:不妨设 $f(a)\leq y\leq f(b)$。 **证明**:不妨设 $f(a)\leq y\leq f(b)$。
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**证明**:存在 $x_\min\in[a,b]$ 使得 $f(x_{\min})=y_{\min}$,存在 $x_{\max}\in[a,b]$ 使得 $f(x_{\max})=y_{\max}$。 **证明**:存在 $x_\min\in[a,b]$ 使得 $f(x_{\min})=y_{\min}$,存在 $x_{\max}\in[a,b]$ 使得 $f(x_{\max})=y_{\max}$。
不妨设 $x_{\min}\leq x_{\max}$。根据命题 9.4.8$f|_{[x_\min,x_\max]}$ 是连续的,那么根据值定理,对于任意 $y\in [y_\min,y_\max]$,存在 $x\in[x_\min,x_\max]$ 使得 $f(x)=y$。于是 $[y_\min,y_\max]\subseteq f([a,b])$。然后可证 $[y_\min,y_\max]=f([a,b])$。 不妨设 $x_{\min}\leq x_{\max}$。根据命题 9.4.8$f|_{[x_\min,x_\max]}$ 是连续的,那么根据值定理,对于任意 $y\in [y_\min,y_\max]$,存在 $x\in[x_\min,x_\max]$ 使得 $f(x)=y$。于是 $[y_\min,y_\max]\subseteq f([a,b])$。然后可证 $[y_\min,y_\max]=f([a,b])$。
#### 9.8 单调函数 #### 9.8 单调函数
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- **命题 9.8.3**:设实数 $a,b$ 满足 $a<b$函数 $f:[a,b]\to \mathbb R$ 是连续且严格单调增的那么 $f$ $[a,b]$ $[f(a),f(b)]$ 的双射 $f^{-1}$ 是也连续且严格单调增的 - **命题 9.8.3**:设实数 $a,b$ 满足 $a<b$函数 $f:[a,b]\to \mathbb R$ 是连续且严格单调增的那么 $f$ $[a,b]$ $[f(a),f(b)]$ 的双射 $f^{-1}$ 是也连续且严格单调增的
**证明**:利用值定理,容易证明 $f$ 是 $[a,b]$ 到 $[f(a),f(b)]$ 的双射,且 $f^{-1}$ 是严格单调增的,现证 $f^{-1}$ 是连续的。 **证明**:利用值定理,容易证明 $f$ 是 $[a,b]$ 到 $[f(a),f(b)]$ 的双射,且 $f^{-1}$ 是严格单调增的,现证 $f^{-1}$ 是连续的。
设 $y_0\in[f(a),f(b)]$,那么存在唯一的 $x_0$ 使得 $f(x_0)=y_0$。 设 $y_0\in[f(a),f(b)]$,那么存在唯一的 $x_0$ 使得 $f(x_0)=y_0$。