Densità, continuità, divisibilità

Densità : dati x e y in R tali che x<y, esiste un z in R tale che  x<z  e  z <y  (in breve : x<z<y ).

  Ciò deriva dall’assioma:    x R+  ⇒  x’ R+  x-x’ R+ .

  Infatti, preso  x’ in modo che x’>0 e  x’<y-x , si ha  x<x+x’<y .

Conseguenze :

Teorema (di subdimezzabilità o subdivisibilità binaria) :

  dato x>0, esiste y>0 tale che       2y=y+y<x .

   dimostrazione:  preso  z>0 tale che z<x (l’esistenza di un tale z è postulata dall’assioma precedente), se anche 2z<x si prende y=z, altrimenti si prende y<x-z

(infatti da 2z x segue  x-z   z  e quindi  2x-z x+z , quindi 2(x-z)=2x-2z x)

Teorema (di subdivisibilità) :

  dato n numero naturale non nullo e dato x>0, esiste y>0 tale che    ny < x .

  dimostrazione: si procede per induzione su n. Se n=1 l’asserto coincide con l’assioma di densità. Supposto che esista y>0 tale che ny<x ,  dalla subdimezzabilità segue l’esistenza di un y’>0 tale che 2y’<y ,  per cui si ha:

  (n+1)y’ ≤  2ny’ < ny < x .
Continuità

   Definizioni :

1) dati A e B sottoinsiemi di R si dice che A precede B (scrivendo A<<B) se A e B sono non vuoti e ogni elemento di A è minore di ogni elemento di B.

  (In particolare ne segue che A e B sono disgiunti)

2) intervalli :   [a,b] := {x : a x b} ,

                       ]a,b] := {x : a < x b} ,

                       [a,b[ := {x : a x < b}  ,

                       ]a,b[ := {x : a < x < b} ,

    semirette :  [a , [ := {x : a x } , 

            ]a , [ := {x : a < x } (illimitate superiormente) ;

                        ]- , a] := {x : x a } ,

            ]- , a[ := {x : x < a } (illimitate inferiormente) .

3) un sottoinsieme A di R è detto “collocato inferiormente” se precede il suo complementare; un sottoinsieme B di R è detto “collocato superiormente” se il suo complementare lo precede. Analogamente se invece di R consideriamo R+ (e quindi  A è sottoinsieme di R+ e l'insieme complementare di A è riferito a R+).

Assioma di continuità (di R) :

Ogni sottoinsieme di R collocato inferiormente è una semiretta illimitata inferiormente  
(quindi del tipo  ]-
, a]  oppure ]- , a[  ).

 Una versione perfettamente equivalente (provare per esercizio tale equivalenza) si ottiene limitandosi ai numeri reali positivi :

Assioma di continuità (di R+) :

Ogni sottoinsieme di R+=]0,[ collocato inferiormente è un intervallo del tipo  ]0,a] oppure ]0,a[.

L’elemento a è detto “separatore” (o “elemento di separazione”) fra A e il suo complementare. Esso è anche detto “estremo superiore” di A e “estremo inferiore” del complementare di A; nel caso in cui esso appartiene ad A (ossia  A=]- , a] oppure ]0,a] ) è detto “massimo” di A,  mentre nel caso esso non appartiene ad A (ossia  A=]- , a[ oppure ]0,a[ ) esso è detto “minimo” del complementare di A.
Spesso - e più accuratamente - i due precedenti assiomi vengono detti "di completezza", riservando il termine "continuità" alla combinazione di densità e completezza.

Divisibilità : se n è un numero naturale non nullo, per ogni x>0 esiste un unico y>0 tale che ny = x.

(Se invece x<0, allora esiste un unico y<0 tale che  n y = x , per provare la quale cosa si procede a dividere –x>0 e poi a cambiare di segno il risultato della divisione).

  La dimostrazione (che nel caso n=1 è ovviamente inutile) si ottiene considerando i due insiemi seguenti :
A := {z :  nz  x }  e   B :={z :  nz >  x},  che risultano essere complementari e il primo precedente il secondo, per cui si pone y uguale al separatore di A e B. Tale y non può verificare né la condizione ny>x (in quanto se così fosse, preso p>0 tale che  np < ny-x ,   si avrebbe n(y-p)=ny-np>ny-ny+x=x e quindi y-p minore di y ma in B, invece che in A) né la condizione ny<x (in quanto se così fosse, preso p > 0 tale che  np < x-ny,  si avrebbe n(y+p)=ny+np<ny+x-ny=x e quindi y+p maggiore di y ma in A, invece che in B) e pertanto deve risultare ny=x.