实数与完备性

上确界

集合的上确界是它可能达到的最紧的天花板。在所有从上方界住该集合的数中,上确界是最小的那个,是这样一道天花板:再往下压一丝,就会有某个元素冒出来。

形式上,若满足两个条件,则称数 s 为 S 的上确界,记作 sup S:s 是 S 的上界,且没有比 s 更小的数是上界。第二个条件可以更有用地重述为:对每个正数 epsilon,S 中都有某个元素超过 s 减 epsilon。所以上确界可被集合中的成员从下方任意逼近。

上确界既可能属于集合,也可能不属于。对从 0 到 1 的闭区间,上确界是 1,它在集合中;对从 0 到 1 的开区间,上确界仍是 1,它不在集合中。当上确界确实属于集合时,它同时就是最大值。

“每个非空且有上界的实数集都确实有上确界”这一深刻事实,就是最小上界性质,正是它使实数完备。有理数不具备这一性质:平方小于 2 的有理数集合有有理数上界,却没有有理数的最小上界,因为那道自然的天花板,即二的平方根,是无理数。

sup {1 - 1/n : n = 1, 2, 3, ...} = 1。每一项 0、1/2、2/3、3/4、…… 都小于 1,但这些项任意逼近 1,所以 1 是最小的天花板,尽管 1 从未被取到。

上确界未必被任何元素取到。

按惯例,空集的上确界是负无穷,无上界集合的上确界是正无穷,这是在扩充实数中而言。在严格的实数范围内,只有非空且有上界的集合才有上确界。

又称
least upper bound最小上界最小上界