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  • 陶哲轩实分析 命题7.1.11 (在有限集合上求和的基本性质) 证明

    (a)如果$X$是空集,并且$f:X\to\mathbb{R}$是函数(即$f$是空函数),那么

    $$\sum_{x\in X}f(x)=0$$

    证明:空函数在《陶哲轩实分析》的第40页提到过.我们要回到定义上去.定义说:当$n\prec m$时,$\displaystyle \sum_{i=m}^na_i=0(m\leq i\leq n)$.由于$X$是空集,所以存在从$\{i\in\mathbb{N}:1\leq i\leq 0\}$到$X$的双射$h$(根据双射的定义,易知存在从空集到空集的双射).所以$\displaystyle\sum_{x\in X}f(x)=\sum_{i=1}^0f(h(i))=0$(根据陶哲轩实分析命题7.1.8).

    (b)如果$X=\{x_0\}$,并且$f:X\to \mathbb{R}$是函数.那么我们有
    $$\sum_{x\in X}f(x)=f(x_0)$$

    证明:存在$\{1\leq i\leq 1\}$到$X$的双射$h$.所以$\displaystyle\sum_{x\in X}f(x)=\sum_{i=1}^1f(h(i))=f(h(1))=f(x_0)$


    (c)(代入法1)如果$X$是有限集合,$f:X\to \mathbb{R}$是函数,并且$g:Y\to X$是双射,那么$$\sum_{x\in X}f(x)=\sum_{y\in Y}f(g(y))$$


    证明:假设$X$含有$n$个元素,则存在$\{i\in\mathbb{N}:1\leq i\leq n\}$到$X$的双射$h$.易得$g^{-1}\circ h$是从$\{i\in\mathbb{N}:1\leq i\leq n\}$到$Y$的双射.$\displaystyle\sum_{x\in X}f(x)=\sum_{i=1}^nf(h(i))$.$\displaystyle\sum_{y\in Y}f(g(y))=\sum_{i=1}^nf(g(g^{-1}(h(i))))$ .易得$g\circ g^{-1}\circ h$是从$\{i\in\mathbb{N}:1\leq i\leq n\}$到$X$的双射.所以$\displaystyle\sum_{x\in X}f(x)=\sum_{y\in Y}f(g(y))$.

    注:最开始的时候,我怀疑代入法1到底有没有必要存在,后来想明白了,代入法1是有必要存在的,代入法1表明了有限级数求和可以任意交换次序。那难道【有限集合求和定义的合理性】没有体现这一点吗?【有限集合求和定义的合理性】确实没表明这一点.(虽然已经十分接近了) 

    (d)(代入法2)设$n\leq m$是整数,并设$X$是集合
    $$X:\{i\in\mathbb{Z}:n\leq i\leq m\}$$
    如果$a_i$是实数,对应于每个整数$i\in X$.那么
    $$\sum_{i=n}^m
    a_i=\sum_{i\in X}a_i$$
    证明:设$h$是从$Y=\{i\in\mathbb{N}:1\leq i\leq m-n+1\}$到$X=\{i\in\mathbb{N}:n\leq i\leq m\}$的双射.根据代入法1,$\displaystyle \sum_{i\in X}a_i=\sum_{i\in Y}a_{h(i)}$.所以$\displaystyle \sum_{i\in X}a_i=\sum_n^ma_i$.

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