第1章 基础知识:集合论
在建造房子时,建设者会用与房子其他部分不一样的材料和方法来打造地基。同样,几乎每一个数学分支都以公理集合论作为其基础。这个基础被大多数关注基础理论的逻辑学家和数学家所接受,但是只有少数数学家有时间或意愿去详细研究公理集合论。
做另一个比喻,高级计算机语言和用它们编写的程序建立了计算机硬件和软件的基础。但是,编写高级计算机程序的人需要了解多少计算机硬件和操作系统的知识则取决于他手边的问题。
在现代实分析中,集合论的问题比以前代数、复分析、几何和应用数学中的问题要多。例如,在实分析中相对较近发展的“非标准分析”许正数可以无限小但不为零。非标准分析比早期发展的实分析更强地依赖于集合论的特性。
本章将介绍本书后面要用到的一些集合论符号和概念。换句话说,本章只给出最基本的集合论知识。附录A较详细地介绍了集合论,包括一些集合论公理,但是本书不打算介绍非标准分析或者更深入地讨论集合论。
本章所定义的许多概念在以后的章节里都要用到,希望读者能熟记。
1.1 集合论的定义和实数系
定义至少有两个目的。首先,就像一本普通字典一样,定义试图给出见解,传达一种思想,或者用熟悉的概念去解释陌生的概念,但并不详尽说明或彻底研究所定义单词的全部意义。我们称这厂种定义为非形式(informal)定义。在大多数数学和其他科学领域中,形式(formal)定义是完全准确的,因此,人们可以科学地判断一个有关命题的真伪。在形式定义中,一个熟悉的术语(例如,普通的长度单位或数字)可以用不熟悉的术语定义。集合论中的大多数定义都是形式的。其次,集合论的另一个目的是不但为自己也为所有数学分支提供清晰的逻辑结构。由此就产生从哪里开始定义的问题。
非形式的字典定义常常由一些同义词组成。例如,字典中用“high”和“tall”相互定义,这种定义方法对于知道其中一个词的人来说是有帮助的,但是对于一个通过字典学习英语的人来说,这样的定义是无用的。这种情况在一定程度上反映了人们在学习中所遇到的困难,因为字典中所有单词都是用其他单词来定义的。因此,人们在开始时应至少弄清字典中一些单词的意思,而不是在用到时才去翻字典。
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——美国数学会公报
这是一本非凡的著作。在教学和参考两个方面,本书将成为一本标准化教材,它全面地介绍了实分析的必备知识,且证明贯穿全书。书中的一些主题和证明极少在其他教科书中见到。
——爱丁堡数学会公报
严谨、精深、新颖,这是一本适用于数学专业研究生的教材。
——ISI的简短书评