§6-2  完備性公理

「非空上有界必有 sup」為什麼證不出來、只能當公理?inf 為什麼不必再花一條公理?

最後一條公理(6.4)

先把懸念挑明。「非空、上有界的集合必有 supremum」這句話,聽起來像是應該能證明的定理——偏偏不能。原因藏在一個老朋友身上:ℚ 把 §4 的九條與 §5 的三條公理全數通過(§4 例 2 驗過 field,正數與順序照搬即可),可是它做不到這句話——§6-4 會給出具體的作案現場:一個在 ℚ 裡上有界、卻在 ℚ 裡找不到最小上界的集合。既然 ℚ 滿足前面所有公理卻辦不到這件事,這件事就不可能是前面公理的邏輯後果。要它成立,只能明文買下——這就是實數系的最後一條公理。

6.4  SUPREMUM PROPERTY
Every non-empty set of real numbers which has an upper bound has a supremum.
非空、上有界的實數集合必有 supremum(最小上界)。這是對 ℝ 的最後一條假設,稱為完備性(completeness)——它保證「該存在的數真的存在」:上界射線永遠有最左端,不會縮成一條沒有端點的開射線。
正例:{x : 0 < x < 1} 非空、上有界——公理保證 sup 存在(例 1 已驗出是 1)。反例:兩個條件各刪一個就失效——ℝ 自己(無上界)沒有 sup;空集合(每個實數都是上界,上界射線沒有最左端——見 §6-1 的怪帳)也沒有。「非空」與「上有界」一個都不能少。
同一個集合、同一條上界射線——端點在不在,是兩個世界 sup ℝ:射線帶端點 缺端點:上界一個比一個低,沒有最低 完備性公理:在 ℝ 裡,下排這種情形不發生

這張圖在說 6.4 買下了什麼:上排是公理保證的世界——上界射線有實心端點(sup);下排是被公理禁止的世界——上界一個比一個更低、卻沒有最低的一個(空心洞)。§6-4 會展示:把舞台換成 ℚ,下排真的會發生。

為什麼叫「完備」?直觀說法:ℝ 沒有破洞。一個集合的成員從左邊一路逼近某個位置,那個位置就該有一個數坐鎮——6.4 保證它真的坐著一個。§9 到 §12 一路記帳引用的「supremum property」,帳主今天正式落戶;§10 的區間套與 §7 將證的一維版本,動力源也都是這一條。

infimum 不必另立公理(6.5)

下界那一側呢?對稱的敘述——非空、下有界必有 infimum——不必再花一條公理:把集合鏡射過原點,下界變上界,sup 公理隔岸出力。

6.5  INFIMUM PROPERTY
Every non-empty set of real numbers which has a lower bound has an infimum.
非空、下有界的實數集合必有 infimum(最大下界)。這是定理不是公理——由 6.4 鏡射而得。
正例:P = {x : x > 0} 非空、下有界(0 是下界)——定理保證 inf 存在,例 2 會算出它是 0。反例:ℤ 往左無界,沒有下界也就沒有 inf——「下有界」的門檻照樣要驗。
PROOF

鏡射三步:翻面、引用 6.4、翻回來。「−u 確實是 inf」這一步常被略過,此處補齊。

Proof.  Let S be non-empty and bounded below, and reflect it: S₁ = {−s : s ∈ S}. If w is a lower bound of S, then for every s ∈ S we have w ≤ s, so −s ≤ −w by 5.6(c′): the number −w is an upper bound of S₁. Since S₁ is non-empty and bounded above, the Supremum Property 6.4 provides u = sup S₁.
鏡射把整個問題翻到對岸:S 的每個成員 s 變成 −s,下界 w 經 5.6(c′)(乘 −1 翻面)變成 S₁ 的上界 −w。於是 S₁ 湊齊 6.4 的兩個條件——非空(S 非空)、上有界——公理交出 u = sup S₁。數字對照:S = {2, 3, 5} 鏡射成 S₁ = {−5, −3, −2},u = −2。
We claim −u = inf S. First, −u is a lower bound: every s ∈ S gives −s ≤ u, hence −u ≤ s — again by the flip. Second, no lower bound beats it: if w is a lower bound of S, then −w is an upper bound of S₁, so u ≤ −w because u is the least upper bound; flipping once more gives w ≤ −u. Hence −u is the greatest lower bound.
補上常被省略的驗收,兩件事各翻一次面。其一,−u 是下界:成員的鏡像都壓在 u 之下,翻回來就是成員都站在 −u 之上。其二,−u 最大:任何下界 w 的鏡像 −w 是 S₁ 的上界,被最小上界 u 壓住(u ≤ −w),翻回來得 w ≤ −u。「下界裡最大」與「上界裡最小」在鏡子兩側是同一件事——例行搬運,但兩測都要真的走完。
inf 的存在由 sup 公理免費供應——往後遇到「下有界」,鏡射一次即可。∎
0 S inf S S₁ = −S sup S₁ 鏡射互換:inf S = −sup(−S)

這張圖在證 6.5 的機制:把 S 沿 0 鏡射成 S₁,左端問題變右端問題——S₁ 的 sup 由公理 6.4 供應,鏡射回來正是 S 的 inf。

例 2inf P = 0——最大下界可以是「圈外人」
正數集 P 沒有最小元素(§5 例 2 用砍半送走了應徵者),可是它的 inf 好端端存在——而且是個不在 P 裡的數。
用「下界兩測」(6.3 的鏡像版)驗證 inf P = 0。
  1. 左測——0 是下界:P 的成員個個嚴格正,沒有誰低於 0。
  2. 右測——任何 w > 0 都不是下界:因為 w 自己是正數,砍半得 ½w ∈ P 而 ½w < w(5.7 取 b = 0)——有成員跌破 w,w 失格。於是下界全體 ≤ 0,最大的就是 0。
inf P = 0 ∉ P:沒有最小元素的集合照樣可以有 inf——inf 與 sup 一樣,是對「界」的描述,不是對成員的點名。
—— 第二階段到此結束 ——

最後一條公理入列:非空、上有界必有 sup(6.4)——它證不出來,因為 ℚ 通過前面全部公理卻辦不到這件事;下界側的 inf 由鏡射免費供應(6.5)。ℝ 的公理清單至此收攤:field 九條、順序三條、完備性一條。下一篇 §6-3 開始領利息——第一筆就是「自然數大過任何實數的上限」這句看似廢話、實則全靠完備性的定理。起來伸展一下背,順便深呼吸三次。