§7-2  區間與區間套

區間一共有幾種款式?一串一個套一個的區間,公共點什麼時候保得住、什麼時候會落空?

區間全家福

接下來替日後的行文備好一批標準名詞。以 a 為端點,數線可以伸出四種射線(ray):open ray {x : x < a} 與 {x : x > a}(不含端點),closed ray {x : x ≤ a} 與 {x : x ≥ a}(含端點)。記號上寫 (−∞, a)、(a, +∞)、(−∞, a]、[a, +∞)——特別提醒:−∞ 與 +∞ 只是記號,不是 ℝ 的成員,它們的全部意思就是「那一側不設端點」。

CELLS AND INTERVALS
For a ≤ b in ℝ:
the open cell (a, b) = {x : a < x < b};
the closed cell [a, b] = {x : a ≤ x ≤ b};
the half-open cells [a, b) and (a, b];
an interval is a ray, a cell, all of ℝ, or ∅ — ten kinds in all;
the unit cell is I = [0, 1].
cell(有界區間)四款:open cell (a, b) 兩端不含、closed cell [a, b] 兩端全含、半開半閉各一款;interval(區間)是總稱——四款射線、四款 cell、整條 ℝ、加上空集,共十款。I = [0, 1] 稱 unit cell(單位閉區間),往後各節的常客。
正例:十款中有界的五款——四款 cell 加 ∅;上有界而下無界的兩款——(−∞, a) 與 (−∞, a]。反例:[0, 1] ∪ [2, 3] 不是區間——中間人 1.5 缺席;區間的本色是「兩點在籍、中間全在籍」(日後 §12 的 12.8 正是用這個判準把「connected ⟺ 區間」全案結清)。
cell 四款:實心=含端點,空心=不含 (a, b) [a, b] [a, b) (a, b] (−∞, a](射線) 加上另三款射線、整條 ℝ 與 ∅——全家福十款

這張圖在點名區間家族:四款 cell 由端點含不含區分(實心收、空心不收),射線一側不設端;連同 ℝ 與 ∅ 共十款。往後說「interval」就指這張全家福裡的成員。

一個套一個:nested 與它的陷阱

一列區間 I₁, I₂, I₃, ⋯ 若一個套住一個——I₁ ⊇ I₂ ⊇ ⋯ ⊇ Iₙ ⊇ Iₙ₊₁ ⊇ ⋯——稱為 nested(區間套)。直覺說:範圍一路收緊,最後總該圈住點什麼。這個直覺有條件才對——先看兩個落空的現場。

例 3兩列 nested 區間,公共點雙雙落空
「一個套一個」自己保證不了任何東西——往無限遠逃、或往一個不收的端點縮,都能把公共點漏光。兩個反例各演一種逃法。
驗證 Iₙ = (n, +∞) 與 Jₙ = (0, 1/n) 都是 nested,且都沒有公共點。
  1. Iₙ = (n, +∞):nested 顯然——門檻越推越右,範圍越縮越小。公共點 x 得同時滿足 x > n 對每個 n——它攔住了全體自然數,Archimedean Property 6.6 明文禁止。往無限遠逃:無界惹的禍。
  2. Jₙ = (0, 1/n):nested 同樣顯然。公共點 x 得是一個「小於每個 1/n 的正數」——6.7(b) 說 1/n 能探到任何正數之下,這樣的 x 不存在。往 0 縮、卻不收 0:open 端點惹的禍——公共點候選人 0 明明就在門口,每一代都拒收。
兩種逃法對應兩個病灶:無界、與不含端點。堵住兩者——非空、closed、有界——公共點就跑不掉了,這正是下一條定理的條件清單。
0 J₁J₂J₃ 唯一的歸宿 0 每代都被空心端點拒收——公共點落空

這張圖在畫例 3 第二個反例的逃逸機制:(0, 1/n) 一路縮向 0,可是 0(空心圈)從頭到尾不是成員,而任何正數遲早被 1/n 甩在外面——收緊的區間什麼都沒圈住。

Nested Cells Property(7.3)

7.3  NESTED CELLS PROPERTY
Let each Iₙ, n ∈ ℕ, be a non-void closed cell in ℝ, and let the sequence be nested: I₁ ⊇ I₂ ⊇ ⋯ ⊇ Iₙ ⊇ ⋯. Then some element of ℝ belongs to every Iₙ.
非空的 closed cell 一個套一個縮下去,必有至少一個實數留在每一代裡——公共點跑不掉。這就是 §10 賒帳引用了一整章的「一維區間套性質」,帳主到任。
正例:Iₙ = [0, 1/n]——公共點恰是 0(closed 把門口那位收進來了,對照例 3 的 (0, 1/n) 之敗)。反例:條件缺一即倒——例 3 的 (0, 1/n) 敗在不 closed、(n, +∞) 敗在無界(射線不是 cell);就算改成 closed ray [n, +∞),無界照樣讓公共點落空——「非空、closed、有界」三份資格都是承重牆。
PROOF

記 Iₙ = [aₙ, bₙ](非空即 aₙ ≤ bₙ)。nested 讓左端點列 aₙ 只升不降、右端點列 bₙ 只降不升。公共點的候選人:左端點全體的 sup。

證明計畫 · 由所求想起
要證:有一個數住在每個 Iₙ 裡。
⇢ 先讀出套疊的兩條單調:左端點只升不降、右端點只降不升,且左永不越右。
⇢ 左端點全體上有界(任何一個右端點都攔得住),完備性交出它們的 sup,叫 ξ。
⇢ 驗 ξ 兩邊都合格:壓住全體左端點是 sup 的本分;「不超過任何右端點」用反證——若某個右端點被 ξ 越過,sup 的左測會抓出一個左端點越過那個右端點,某一代的 cell 就左右顛倒、淪為空集。
Proof.  Write Iₙ = [aₙ, bₙ] with aₙ ≤ bₙ. Nesting gives, for every n, both aₙ ≤ aₙ₊₁ and bₙ₊₁ ≤ bₙ; moreover any left end point stays below any right end point — indeed Iₙ ⊆ I₁ puts every aₙ inside I₁, so the set {aₙ : n ∈ ℕ} is bounded above by b₁. The Supremum Property 6.4 provides ξ = sup{aₙ : n ∈ ℕ}, and aₙ ≤ ξ for every n.
開局先把 nested 的內容攤開成兩條單調:下一代整段住在上一代裡,左端點只能往右挪、右端點只能往左挪——例行讀圖。接著湊 sup 的資格:每個 aₙ 都落在 I₁ = [a₁, b₁] 內,所以左端點全體被 b₁ 攔住、上有界,完備性 6.4 交出候選人 ξ = sup{aₙ}——「壓住全體左端點」是 sup 與生俱來的一半資格。數字對照:Iₙ = [0, 1/n] 的左端點全是 0,ξ = 0。
We claim ξ ≤ bₙ for every n. Suppose instead b_m < ξ for some m. Because ξ is the supremum of the left end points, test (ii) of Lemma 6.3 yields an index p with b_m < a_p. Put q = max(m, p). The two monotone chains then give b_q ≤ b_m < a_p ≤ a_q — so the cell I_q = [a_q, b_q] has its left end point beyond its right one, making it void. This contradicts the hypothesis, and therefore aₙ ≤ ξ ≤ bₙ — that is, ξ ∈ Iₙ — for every n.
另一半資格用反證補齊。這一步的重點只有一件事:若哪個右端點 b_m 被 ξ 越過,6.3 的左測(比 sup 低就攔不住成員)會在 b_m 之上抓到某個左端點 a_p——一個左端點跑到了一個右端點的右邊。把兩條單調鏈拉到同一代 q = max(m, p) 比對:右端點降到 b_q ≤ b_m、左端點升到 a_p ≤ a_q,於是 b_q < a_q——第 q 代的 cell 左右顛倒、空無一人,與「每代非空」對撞。反證閉合:ξ 不超過任何右端點,連同前一步的 aₙ ≤ ξ,它住在每一代 [aₙ, bₙ] 裡。
左端點的 sup 就是留守者——closed 收下它、有界關住它、非空保住每一代的秩序。∎
a₁b₁ a₂b₂ a₃b₃ ξ = sup{aₙ} 左端點列爬不過任何右端點——sup 被永遠夾在每一代裡

這張圖在證 7.3 的機制:左端點(各排左緣)只升不降、右端點只降不升,而且左永不越右——於是左端點全體的 sup(紅虛線)高於每個 aₙ、又低於每個 bₙ,代代都在籍。

留守者可以不只一位:令 η = inf{bₙ : n ∈ ℕ}(右端點全體的最大下界,6.5 供應),則公共點恰好是整段 [ξ, η]。理由兩行:任何公共點 x 壓住全體 aₙ 之上、全體 bₙ 之下,於是 ξ ≤ x ≤ η;反過來 ξ ≤ x ≤ η 的每個 x 都滿足 aₙ ≤ ξ ≤ x ≤ η ≤ bₙ,代代在籍。區間寬度不縮到 0 時(如 Iₙ = [0, 1 + 1/n],公共段是 [0, 1]),留守者是一整段。
—— 第二階段到此結束 ——

區間十款點名完畢,nested 的兩個逃逸現場(無界、不收端點)看清楚之後,Nested Cells Property 把「非空、closed、有界」的區間套釘死:公共點必留,留守名單是 [sup aₙ, inf bₙ]。§10 的高維區間套欠的一維引擎,今天正式交貨。下一篇 §7-3 用「挖中段」的無窮儀式蓋出分析裡最著名的反直覺明星——Cantor 集。起身晃兩圈,回來看好戲。