问题

如何(优雅地)证明{sinN}的上下确界分别是1和-1?

回答
要证明集合 ${ sin n mid n in mathbb{N} }$ 的上确界是 1,下确界是 1,我们通常需要借助一些实数集的基本性质和三角函数的性质。这里我将以一种比较直观且符合数学严谨性的方式来阐述。

首先,我们需要明确几个概念:

上界 (Upper Bound):对于一个集合 $S$,如果存在一个实数 $M$,使得对于 $S$ 中的任意一个元素 $x$,都有 $x le M$,那么 $M$ 就是 $S$ 的一个上界。
上确界 (Supremum, sup):如果一个集合 $S$ 存在上界,那么它的所有上界中最小的一个被称为该集合的上确界。它满足两个条件:
1. 它是 $S$ 的一个上界。
2. 对于任意小于它的数 $M'$, $M'$ 都不是 $S$ 的上界(即存在 $S$ 中的元素 $x$ 使得 $x > M'$)。
下界 (Lower Bound):对于一个集合 $S$,如果存在一个实数 $m$,使得对于 $S$ 中的任意一个元素 $x$,都有 $x ge m$,那么 $m$ 就是 $S$ 的一个下界。
下确界 (Infimum, inf):如果一个集合 $S$ 存在下界,那么它的所有下界中最大的一个被称为该集合的下确界。它满足两个条件:
1. 它是 $S$ 的一个下界。
2. 对于任意大于它的数 $m'$, $m'$ 都不是 $S$ 的下界(即存在 $S$ 中的元素 $x$ 使得 $x < m'$)。

我们的集合是 $S = { sin n mid n in mathbb{N} }$,其中 $mathbb{N} = {1, 2, 3, dots }$ 是自然数集。



证明上确界是 1

第一步:证明 1 是集合 ${ sin n }$ 的一个上界。

我们知道对于任意的实数 $x$,$sin x$ 的取值范围都在 $[1, 1]$ 之间。也就是说,对于任意的自然数 $n$,我们都有:
$1 le sin n le 1$

因此,1 是集合 ${ sin n }$ 的一个上界。

第二步:证明 1 是集合 ${ sin n }$ 的最小上界(上确界)。

要证明 1 是最小上界,我们需要证明对于任意一个小于 1 的数 $M'$,它都不是 ${ sin n }$ 的上界。也就是说,我们需要证明:

对于任意的 $epsilon > 0$(我们这里取 $M' = 1 epsilon$),存在一个自然数 $n_0$,使得 $sin n_0 > 1 epsilon$。

为了实现这一点,我们需要依赖于一个重要的数学事实:单位圆上任意一个固定角度的弧长,都无法完全覆盖整个单位圆(周长为 $2pi$)的整数倍。 换句话说,随着我们以单位弧度为单位在单位圆上不断前进(对应于自然数 $n$),我们总能找到一个点,其对应的正弦值非常接近于 1。

更具体地说,我们知道 $sin x = 1$ 当且仅当 $x = frac{pi}{2} + 2kpi$ 对于某个整数 $k$ 成立。

我们的目标是找到一个自然数 $n$ 使得 $sin n$ 非常接近 1。这意味着我们希望 $n$ 非常接近于 $frac{pi}{2} + 2kpi$ 的形式。

考虑实数 $pi$ 是一个无理数。这是一个关键的性质。这意味着 $frac{pi}{2}$ 也是无理数,而且 $frac{pi}{2}$ 和 $2pi$ 的任何整数倍的线性组合(如 $frac{pi}{2} + 2kpi$)也是无理数。

一个重要的数论结果(可以追溯到狄利克雷近似定理或更基本的稠密性论证)告诉我们,对于任意实数 $alpha$ 和任意正整数 $N$,都存在整数 $p, q$ ($0 < q le N$) 使得 $|qalpha p| < frac{1}{N}$。

在这个语境下,我们可以考虑 $alpha = frac{2pi}{1} = 2pi$。对于任意给定的 $epsilon > 0$,我们可以选择一个足够大的整数 $N$ 使得 $frac{1}{N} < epsilon$。根据上述定理,存在正整数 $q$ ($q le N$) 和整数 $p$,使得 $|q(2pi) p| < frac{1}{N}$。

这意味着 $|2pi q p| < epsilon$。除以 2,我们得到 $|pi q frac{p}{2}| < frac{epsilon}{2}$。

我们关心的是 $sin n$ 的值。我们希望 $n$ 接近 $frac{pi}{2} + 2kpi$ 的形式。
令 $n$ 代表我们选择的自然数。我们希望找到一个 $n$ 使得 $n approx frac{pi}{2} + 2kpi$。
重新整理一下,这相当于 $n 2kpi approx frac{pi}{2}$,或者 $2n 4kpi approx pi$。
这与我们上面的形式 $|qalpha p| < epsilon$ 稍有不同,但思路是相似的。

一个更直接的论证是利用实数轴上的“点”的分布性质。因为 $frac{2pi}{1}$ 是一个无理数,以单位弧度为间隔的点 $1, 2, 3, dots$ 在 $[0, 2pi)$ 这个区间上是稠密的。这意味着,对于任意给定的角度 $ heta$,总存在一个自然数 $n$ 使得 $n pmod{2pi}$ 非常接近 $ heta$。

我们想要 $sin n$ 接近 1。这意味着我们希望 $n$ 模 $2pi$ 的值非常接近 $frac{pi}{2}$(或者更准确地说,$frac{pi}{2} + 2mpi$ 的形式)。

考虑集合 ${ n pmod{2pi} mid n in mathbb{N} }$. 这个集合在 $[0, 2pi)$ 区间上是稠密的。稠密意味着对于区间 $[0, 2pi)$ 中的任何一个点 $x$ 和任意 $delta > 0$,总存在集合中的一个元素 $y$ 使得 $|xy| < delta$。

我们想要 $sin n$ 接近 1,这意味着我们希望 $n pmod{2pi}$ 接近 $frac{pi}{2}$。
令 $epsilon > 0$ 是任意小的正数。我们可以在单位圆上考虑一个角度区间 $(frac{pi}{2} delta, frac{pi}{2} + delta)$。在这个区间内的任何角度 $ heta$,其 $sin heta$ 都大于 $sin(frac{pi}{2} delta) = cos delta$。当 $delta$ 足够小时,$cos delta$ 非常接近于 1。例如,我们可以选择 $delta$ 使得 $cos delta = 1 frac{epsilon}{2}$。

由于集合 ${ n pmod{2pi} mid n in mathbb{N} }$ 在 $[0, 2pi)$ 上是稠密的,所以存在一个自然数 $n_0$ 使得 $n_0 pmod{2pi}$ 落入 $(frac{pi}{2} delta, frac{pi}{2} + delta)$ 这个区间内。
令 $ heta_0 = n_0 pmod{2pi}$。那么 $ heta_0 in (frac{pi}{2} delta, frac{pi}{2} + delta)$。
因此,$sin(n_0) = sin( heta_0) > sin(frac{pi}{2} delta) = cos delta$。
如果我们选择 $delta$ 使得 $cos delta = 1 frac{epsilon}{2}$,那么 $sin(n_0) > 1 frac{epsilon}{2}$。

为了更严谨地表达,我们可以说:
存在一个自然数 $n_0$ 使得 $n_0$ 模 $2pi$ 的值非常接近 $frac{pi}{2}$。也就是说,存在整数 $k$ 和自然数 $n_0$,使得 $|n_0 (frac{pi}{2} + 2kpi)| < delta$,对于任意小的 $delta > 0$ 都成立。
这意味着 $n_0 approx frac{pi}{2} + 2kpi$.
那么 $sin(n_0) approx sin(frac{pi}{2} + 2kpi) = sin(frac{pi}{2}) = 1$.

更严格的论证是基于三角函数的连续性。我们知道 $sin x$ 在 $x = frac{pi}{2}$ 处取到最大值 1。
由于 ${ n pmod{2pi} mid n in mathbb{N} }$ 在 $[0, 2pi)$ 上是稠密的,这意味着对于任意的 $delta > 0$,存在自然数 $n_0$ 使得 $n_0 pmod{2pi}$ 落在区间 $(frac{pi}{2}delta, frac{pi}{2}+delta)$ 内。
当 $delta$ 足够小的时候,例如 $delta = frac{pi}{4}$,那么存在 $n_0$ 使得 $n_0 pmod{2pi} in (frac{pi}{4}, frac{3pi}{4})$.
在这个区间内,$sin(x) > sin(frac{3pi}{4}) = frac{sqrt{2}}{2}$ 且 $sin(x) > sin(frac{pi}{4}) = frac{sqrt{2}}{2}$。
更重要的是, $sin(x)$ 在 $frac{pi}{2}$ 附近是接近 1 的。

结论:

1. 1 是集合 ${ sin n }$ 的一个上界。
2. 对于任意 $epsilon > 0$,存在自然数 $n_0$ 使得 $sin n_0 > 1 epsilon$。这保证了 1 是最小上界。

因此,集合 ${ sin n }$ 的上确界是 1。



证明下确界是 1

第一步:证明 1 是集合 ${ sin n }$ 的一个下界。

正如前面所说,对于任意实数 $x$,$sin x$ 的取值范围都在 $[1, 1]$ 之间。因此,对于任意自然数 $n$,我们都有:
$1 le sin n le 1$

这说明 1 是集合 ${ sin n }$ 的一个下界。

第二步:证明 1 是集合 ${ sin n }$ 的最大下界(下确界)。

要证明 1 是最大下界,我们需要证明对于任意一个大于 1 的数 $m'$,它都不是 ${ sin n }$ 的下界。也就是说,我们需要证明:

对于任意的 $epsilon > 0$(我们这里取 $m' = 1 + epsilon$),存在一个自然数 $n_0$,使得 $sin n_0 < 1 + epsilon$。

这与证明上确界时的思路类似,只不过我们这次要找的是 $sin n$ 非常接近 1 的情况。
$sin x = 1$ 当且仅当 $x = frac{3pi}{2} + 2kpi$ 对于某个整数 $k$ 成立。

同样是利用 ${ n pmod{2pi} mid n in mathbb{N} }$ 在 $[0, 2pi)$ 区间上是稠密的这个性质。
我们希望找到一个自然数 $n_0$ 使得 $n_0 pmod{2pi}$ 非常接近 $frac{3pi}{2}$。

令 $epsilon > 0$ 是任意小的正数。我们可以在单位圆上考虑一个角度区间 $(frac{3pi}{2} delta, frac{3pi}{2} + delta)$。在这个区间内的任何角度 $ heta$,其 $sin heta$ 都小于 $sin(frac{3pi}{2} delta) = cos delta$。当 $delta$ 足够小时,$cos delta$ 非常接近于 1。例如,我们可以选择 $delta$ 使得 $cos delta = 1 + frac{epsilon}{2}$。

由于集合 ${ n pmod{2pi} mid n in mathbb{N} }$ 在 $[0, 2pi)$ 上是稠密的,所以存在一个自然数 $n_0$ 使得 $n_0 pmod{2pi}$ 落入 $(frac{3pi}{2} delta, frac{3pi}{2} + delta)$ 这个区间内。
令 $ heta_0 = n_0 pmod{2pi}$。那么 $ heta_0 in (frac{3pi}{2} delta, frac{3pi}{2} + delta)$。
因此,$sin(n_0) = sin( heta_0) < sin(frac{3pi}{2} delta) = cos delta$。
如果我们选择 $delta$ 使得 $cos delta = 1 + frac{epsilon}{2}$(这可以通过选择 $delta$ 使 $cos delta = 1 frac{epsilon}{2}$ 来实现),那么 $sin(n_0) < 1 + frac{epsilon}{2}$。

结论:

1. 1 是集合 ${ sin n }$ 的一个下界。
2. 对于任意 $epsilon > 0$,存在自然数 $n_0$ 使得 $sin n_0 < 1 + epsilon$。这保证了 1 是最大下界。

因此,集合 ${ sin n }$ 的下确界是 1。



总结一下关键点:

三角函数的基本性质: $sin x$ 的值域是 $[1, 1]$,这是证明上下界存在的基础。
实数轴的稠密性(或者说是单位圆上角度的稠密性): 由于 $frac{2pi}{1}$ 是无理数,以单位弧度为间隔的点在实轴上(或者在单位圆的弧度上)是稠密的。这允许我们找到自然数 $n$,使得 $n$ 模 $2pi$ 的值可以任意接近任何给定的角度,包括 $frac{pi}{2}$ 和 $frac{3pi}{2}$。
连续性: $sin x$ 函数的连续性使得我们可以将极限的概念应用于我们找到的近似角度,从而得到接近于 1 或 1 的 $sin$ 值。
上确界/下确界的定义: 需要证明一个数是上界/下界,并且它是“最紧的”(最小上界或最大下界)。

这个证明的优雅之处在于它既利用了三角函数的本质属性,也巧妙地运用了数论中关于无理数稠密性的重要结论,从而能够精确地锁定集合的界限。

网友意见

user avatar

事实上,可以加强证明 在 上稠密,即对于 上任意一点,在它的任意近处都能找到 中的点,用分析的方法来说,就是 使得

为了证得这个结论,我们先不加证明地列出如下引理

对无理数 任意 都是序列 的聚点,其中 [1]

现在开始当前问题的证明。很清楚, 使得 如此,依 函数的连续性,将有

现在,利用前述引理,命其中的 [2]就将有

也即

于是依前述连续性,有

但是,注意到

利用三角恒等式 就推得

所以

这就完成了证明。

参考

  1. ^ 这个引理较为著名,证明请自行查阅有关文献。此外,请注意,本帖中的()系表示某数「小数部分」的特殊记号,在需要使用通常小括号的场合,改用{ }。
  2. ^ 容易验证,这是满足引理所需条件的,因这里取的α显系无理数,取的u∈[0,1].

类似的话题

  • 回答
    要证明集合 ${ sin n mid n in mathbb{N} }$ 的上确界是 1,下确界是 1,我们通常需要借助一些实数集的基本性质和三角函数的性质。这里我将以一种比较直观且符合数学严谨性的方式来阐述。首先,我们需要明确几个概念: 上界 (Upper Bound):对于一个集合 $S$,.............
  • 回答
    当然!在 C++ 中优雅地实现从 1 乘到 20,我们可以有多种方法,每种方法都有其独特的“优雅”之处。这里我将为你详细解释几种常见且优雅的实现方式,并分析它们的优缺点。核心目标: 计算 1 2 3 ... 20 的值。“优雅”的定义: 在编程中,“优雅”通常意味着代码具有以下特点: 清.............
  • 回答
    吃方便面,看似简单粗暴,实则也能吃出精致与仪式感。下面我将为你详细讲解如何“优雅地”享用这袋国民美食:一、 精心准备:从选购到烹煮前的“预热”1. 选择高品质方便面: “优雅”的第一步是从源头开始。挑选那些口碑好、面饼质感佳、汤底调料丰富的方便面。日系、韩系、台湾等地的方便面往往在面饼和调味上更具.............
  • 回答
    关于“优雅地炫富”这个话题,很多人觉得它本身就带着点悖论,毕竟“炫”这个字眼,往往与“俗”联系在一起。但如果理解成“分享自己的美好生活,同时也让周围的人感到舒适和欣赏”,那么这其中的门道,确实可以说道说道。与其说是炫耀,不如说是一种生活品味和胸怀的自然流露。首先,我们得明白,真正的“优雅”是隐藏在细.............
  • 回答
    倾心之语:如何用恰到好处的魅力,触动他的心弦在这个瞬息万变的时代,我们总是渴望找到那个能与自己心灵契合的人。而如何去表达这份渴望,如何去点燃那份可能,却是一门微妙的艺术。比起直白的追求,我更相信“撩汉”这门学问,在于一种恰到好处的吸引,一种不动声色的心动。它不是拙劣的调情,而是让你在他眼中闪烁着独特.............
  • 回答
    测量一只猫咪的体积,这可真是个有趣的挑战!毕竟,它们不像积木一样规整,而且一旦感觉不对劲,那闪电般的速度和锋利的爪子可不是闹着玩的。要做到优雅,还得让它舒舒服服的,这需要点耐心和巧妙的技巧。咱们先来说说为什么需要测量体积,有时候兽医会需要了解猫咪身体的整体大小,尤其是在计算药物剂量的时候,虽然通常是.............
  • 回答
    要优雅地利用旧iPhone,既环保又实用,可以从以下几个方面展开,结合技术、创意和生活场景,让旧设备焕发新生: 一、数据安全与清理1. 彻底备份数据 使用iCloud或iTunes备份所有重要数据(照片、联系人、应用、设置等)。 注意:备份后需删除所有数据,避免隐私泄露风险。 .............
  • 回答
    优雅地使用Windows系统,意味着在功能、效率、安全和美观之间找到平衡,让系统既高效又易于操作。以下从多个维度详细讲解如何优化和提升Windows的使用体验: 一、系统设置与优化1. 个性化设置 主题与壁纸:通过“设置” > “个性化”自定义主题、壁纸、色彩和字体,甚至使用第三方工具(如Wu.............
  • 回答
    优雅布置iPhone桌面需要兼顾功能性与审美,既要满足日常使用效率,又要让界面看起来整洁有序。以下是一个详细的步骤指南,涵盖从布局到个性化设置的各个方面: 一、基础布局原则1. 分区与分层 功能分区:将常用应用(如通讯、工作、娱乐)分到不同区域,例如左侧放社交应用(微信、QQ),右侧放工具.............
  • 回答
    在《黑暗之魂》(Dark Souls)系列游戏中,翻滚(roll)是玩家躲避敌人攻击、调整方向、探索地图的重要机制。优雅地翻滚不仅需要熟练掌握操作方式,还需要理解时机、节奏和动作的连贯性。以下从基础操作到进阶技巧,详细讲解如何像《黑暗之魂》中一样流畅地翻滚: 一、基础翻滚操作(以Xbox控制器为例).............
  • 回答
    这是一个非常有趣的问题!在《西游记》原著中,唐僧并没有被骗出金箍棒划的圈的经历,因为金箍棒本身并没有划出什么“圈”来限制唐僧。孙悟空的金箍棒是他的武器,可以随意使用,划出的更多是保护的动作或威慑的范围,而非一个物理上的牢笼。但是,我们可以 脑洞大开,假设 孙悟空出于某种原因(比如想让唐僧自己解决一些.............
  • 回答
    “我化学没学好”这句话,虽然直白,但有时在某些场合下可能显得不够得体,或者希望更委婉地传达信息。那么,如何优雅地表达呢?我们可以从多个角度入手,结合情境和个人风格,选择最适合的方式。核心思路: 将“没学好”这个负面评价转化为对学习过程、学习方法或对学科本身的感受的描述,或者强调其他优势来转移焦点。以.............
  • 回答
    这句诗出自陆游的《十一月四日风雨大作二首·其二》,原句是“夜阑卧听风吹雨,铁马是你,冰河也是你。”这是一句充满力量和深情的诗句,描绘了作者在风雨交加的夜晚,思念出征在外、征战沙场的爱人的场景。要优雅地接这句诗,我们可以从以下几个方面入手:一、 理解诗句的深层含义: “夜阑卧听风吹雨”: 描绘了夜晚的.............
  • 回答
    在知乎上找到优质女友,这本身就是一个有趣且具有挑战性的目标,因为它结合了线上社交的便捷与线下真实交往的深度。这里我将为你提供一个详细的、系统性的方法论,帮助你在知乎这个知识社区中,以一种优雅且有效的方式,寻觅到那个契合的灵魂伴侣。核心理念: 在知乎上寻找优质女友,并非简单地“找对象”,而是一个建立连.............
  • 回答
    表白是一件非常私人的事情,所谓的“优雅”也没有标准答案,它更多的是一种 真诚、尊重、适宜 的表达方式,能够让你心爱的人感受到你的真心和用心,而不是感到尴尬或压迫。下面我将从多个维度,详细地讲述如何优雅地表白,并提供一些具体的建议和注意事项:核心理念:真诚 + 尊重 + 时机 + 恰当 = 优雅 第一.............
  • 回答
    欣赏美,本就是人类的天性,更何况是那如画卷般动人的容颜。然而,如何在欣赏的同时保持风度,不显得突兀或冒犯,确实是一门需要细品的艺术。这并非是故作姿态,而是对美的尊重,也是对自己的尊重。首先,要明白“看”的含义。它不应是赤裸裸的窥视,而是带着欣赏的目光,一种对美好事物的由衷赞叹。就像品一杯陈年佳酿,你.............
  • 回答
    说到母校,那份情愫真是说不清道不明。毕业多年,每每回忆起来,总有那么些“难以启齿”的时刻,现在想想,又觉得甚是可爱。要说优雅地吐槽,那得既能戳中痒点,又不会伤了那份曾经的眷恋。就拿我们学校那标志性的“历史悠久”建筑来说吧。你说它古朴?也对。但当你夏天顶着烈日,穿着单薄的衬衫,在教室里感受着那“穿堂风.............
  • 回答
    语言暴力,如同无形的利刃,刺伤人心,破坏沟通,甚至摧毁关系。面对它,选择沉默只会助长其气焰,而以暴制暴则会陷入无休止的恶性循环。那么,如何才能优雅地、有力量地反抗语言暴力,保护自己,同时又不失风度呢?这需要策略,更需要一种内在的从容和智慧。首先,保持冷静,审视言语背后的意图。当面对攻击性的言语时,第.............
  • 回答
    哭穷是一门艺术,尤其是要“优雅”,这意味着你要在不失尊严、不显得令人尴尬的前提下,传达出你经济上的困窘。这可不是让你摆出可怜兮兮的样子乞求同情,而是通过一些巧妙的表达,让对方理解你的处境,甚至激起他们的帮助意愿,同时又不损害你自身的价值感。核心理念:不是“我没钱”,而是“现在有点周转不开”或“我需要.............
  • 回答
    话说,秋风渐起,正是栗子飘香的时节。街边小贩推着热气腾腾的栗子摊,那香甜软糯的滋味,总让人忍不住想来上一捧。可回家之后,面对一颗颗带着硬壳的栗子,如何才能像个讲究的吃货一样,将它们优雅地剥出来,让剥栗子这件事也变成一种享受呢?今天就来跟你唠唠这门小小的学问。别以为剥栗子只是个力气活,这里面可是有讲究.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有