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托勒密定理的簡單證明
托勒密定理的簡單證明
更新时间:2026-10-29 00:35:01

我們高中時都學過一個非常常用的定理,零點定理,或者也叫介值定理(弱化版)。它的内容叙述如下:

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)1

它的圖形畫出來如下所示

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)2

這個定理表面上看起來非常顯然,似乎不需要證明。但事實上,數學上任何一個定理,即使看起來再顯然,也是需要經過嚴格證明的。我之前曾寫過一篇文章介紹過零點定理的證明,使用的是數學分析中的确界原理。文章鍊接如下:

一個看似極其顯然,證明卻極其困難的數學定理

确界原理是實數完備性定理中的一個重要定理,與此同時還有另外五個與之等價的定理,一共六個定理,數學專業的同學會在《數學分析》這門課程裡面學的,這六個定理都可以用來證明零點定理,因此我在文章中說,它的證明方法一共有六種。後來有網友評論到,其實可以跳出實數完備性定理的框架,用更高級的數學知識,比如拓撲學來證明。于是我在其啟發下,想到了一種用拓撲學的知識來證明該定理的方法,本文就來介紹,歡迎讨論。

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)3

當然既然要利用拓撲學的知識,就首先對拓撲學的一些基本概念做一些簡要介紹。拓撲學的研究對象非常複雜,但僅就零點定理而言,我們隻需要理解一維實數軸上的拓撲空間就足夠了,我将用最簡單的語言來進行描述。

概念1:開集

設U為實數集的一個子集,如果U滿足如下條件:

從U中任取一個數a,都可以找到一個以a為中心的小的開區間(a-δ,a δ),使得這個小區間完全包含在U裡面。

那麼就稱U為一個開集。

任何一個開區間都是開集,比如我們拿(0,1)舉例子。我在上面任意選一個數,比如0.5,那麼(0.4,0.6)是完全包含在(0,1)之間的。選的數離1很近也不要緊,比如0.99,那麼(0.989,0.991)是完全包含在(0,1)裡的,諸如此類,所以開區間(0,1)就是一個開集。

當然開集不隻是包含開區間,任意兩個開區間的并集也是開集,比如(0,1)∪(2,3)。

同時,有界閉區間就不是開集了,比如閉區間[0,1]。因為我可以在上面取一個點1,任何一個以1為中心的小的開區間都不能完全包含在[0,1]之内。所以有界閉區間不是開集。

那麼閉區間到底是一個什麼樣的集合呢?這時我們就需要引入閉集的概念。

概念2:閉集

設V為實數集的一個子集,如果它的補集是一個開集,那麼稱V為一個閉集。

于是很顯然,一個有界閉區間就是一個閉集。我們還拿[0,1]舉例子,它的補集(-∞,0)∪(1, ∞)是一個開集,因此它是一個閉集。同樣道理,兩個閉區間的并集也是閉集。

從上面對開集的定義中,我們可以很明顯地看出如下定理:

定理:多個開集的并集還是開集

但凡定理都需要證明,這個定理的證明比較容易,我們就拿兩個集合舉例。假設集合A與集合B都是開集,下面我們來研究A∪B。從A∪B中任取一個元素x,那麼x至少在A或B中的一個裡面。如果x在A裡面,那麼因為A是開集,根據開集的定義,我們就可以找到一個以x為中心的小區間(x-δ,x δ),使得它完全包含在A裡面,A肯定完全包含在A∪B裡面,所以(x-δ,x δ)一定完全包含在A∪B裡面。同樣道理,如果x在B裡面,我們也可以類似證明。所以對于你任意取的一個x,一定可以找到以x為中心的小區間完全包含在A∪B裡面,于是A∪B就是一個開集。

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)4

開集和閉集是拓撲學中最基本的兩個概念,他們在一般的拓撲空間中有着更抽象的定義,但是本文涉及不到。本文介紹的隻是在一維實數軸上所對應的開集與閉集的定義,用它我們就可以來證明零點定理了。

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)5

我們把問題再具體叙述一下。

f(x)在[a,b]上連續,且f(a)<0,f(b)>0,求證在該區間内必存在一點使得f(x)=0

證明:我們把閉區間[a,b]中所有的數分為三個集合,分别用A,B,C表示:

A = { x∈[a,b] | f(x)<0 }

B = { x∈[a,b] | f(x)>0 }

C = { x∈[a,b] | f(x)=0 }

一個數無非小于0,大于0,等于0三種情況,于是 A∪B∪C = [a,b]。

我們來證明C一定不是空集。這樣一來C中至少包含一個元素,這些元素就是f(x)=0的點。

采用反證法:假設C是空集。

于是就隻剩下A和B,即 A∪B =[a,b]。

對于集合A,随便選一個點c∈A,則有f(c)>0,因為函數連續,則

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)6

現在已知f(c)>0,因此利用函數極限的保号性,存在某個小區間(c-δ,c δ),使得x∈(c-δ,c δ)時有f(x)>0,也就是這個小區間内所有的數都在滿足集合A的條件,也就是說它都在A裡面,即(c-δ,c δ)⊂A,那麼根據上面開題的定義,因為這個c是任意選的,所以A一定是一個開集。

同理,利用極限的保号性可以證明集合B也一定是一個開集。

按照我們前面講過的定理:兩個開集的并集也是開集,于是A∪B 也是開集,又因為我們前面按照假設A∪B =[a,b],因此[a,b]也是開集。

但我們前面經過論證,有界閉區間一定不是開集,于是得到矛盾,假設不成立,即C不是空集。

于是C中包含的數就是使f(x)=0的數,證畢。

用這種方法來證明零點定理,過程相對比較簡單,但是理解起來相對困難,因為它使用了拓撲學中開集這個概念。而開集又是依賴于開區間的,這道題的關鍵是利用極限的保号性構造出一個小的開區間,把這塊兒理解了,那麼整個過程也就不難理解了。

零點定理在證明方程解的存在性等問題中有着決定性的作用,同時還可以利用它進行方程的求解,比如說二分法,就是利用的零點定理來數值求解方程。

托勒密定理的簡單證明(零點定理的一個拓撲學證明)7

當然,證明零點定理不是隻有這一種方法,即使是在拓撲學的框架内,相信也有很多同學能想出其他的方法來。如果有同學有新的方法,可以在評論中提出,歡迎熱愛數學的小夥伴們一起來加入讨論!

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