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。