實數與完備性

上確界

集合的上確界是它可能達到的最緊的天花板。在所有從上方界住該集合的數中,上確界是最小的那個,是這樣一道天花板:再往下壓一絲,就會有某個元素冒出來。

形式上,若滿足兩個條件,則稱數 s 為 S 的上確界,記作 sup S:s 是 S 的上界,且沒有比 s 更小的數是上界。第二個條件可以更有用地重述為:對每個正數 epsilon,S 中都有某個元素超過 s 減 epsilon。所以上確界可被集合中的成員從下方任意逼近。

上確界既可能屬於集合,也可能不屬於。對從 0 到 1 的閉區間,上確界是 1,它在集合中;對從 0 到 1 的開區間,上確界仍是 1,它不在集合中。當上確界確實屬於集合時,它同時就是最大值。

「每個非空且有上界的實數集都確實有上確界」這一深刻事實,就是最小上界性質,正是它使實數完備。有理數不具備這一性質:平方小於 2 的有理數集合有有理數上界,卻沒有有理數的最小上界,因為那道自然的天花板,即二的平方根,是無理數。

sup {1 - 1/n : n = 1, 2, 3, ...} = 1。每一項 0、1/2、2/3、3/4、…… 都小於 1,但這些項任意逼近 1,所以 1 是最小的天花板,儘管 1 從未被取到。

上確界未必被任何元素取到。

按慣例,空集的上確界是負無窮,無上界集合的上確界是正無窮,這是在擴充實數中而言。在嚴格的實數範圍內,只有非空且有上界的集合才有上確界。

又稱
least upper bound最小上界最小上界